Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
Скачать 1.16 Mb.
|
1.8.10 Спектрометрический трактСпектрометрический тракт является современным инструментом для сбора и анализа ядерно-физической информации. Он может использоваться для решения широкого круга задач прецизионной спектрометрии в широком диапазоне энергий и анализа формы импульсов, вплоть до самых быстрых и сложных сигнатур событий. Допускает использование как составная часть более сложных систем. Включает ряд дополнительных функций, таких как измеритель интенсивностей в амплитудном окне и универсальный цифровой запоминающий осциллограф. Ядром спектрометрического тракта является быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования для IBM PC/AT- совместимых компьютеров типа ЛА-н1PCI. Спектрометрический тракт предназначен для выполнения следующих функций: – анализ формы импульсов протонов отдачи при замедлении нейтронов, с дополнительным гамма-детектором; – универсальный спектрометрический тракт с возможностью регистрации формы импульса, пригодный для однофотонного режима ФЭУ; В состав спектрометрического тракта входят следующие компоненты:
Быстродействующая плата АЦП. Быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования ЛА-н1PCI имеет следующие характеристики: Аналого-цифровой канал
Аналого-цифровой преобразователь
Плата имеет внутреннюю и внешнюю синхронизацию. Программное обеспечение спектрометрического тракта работает под управлением операционной системы Windows и состоит из программ-драйверов, поставляемых производителем платы АЦП, и специального программного обеспечения. Специальное программное обеспечение состоит из программы цифрового осциллографа, позволяющей настраивать спектрометрический тракт и анализировать форму импульса с ФЭУ. Кроме того предусмотрена программа мониторинга, обеспечивающая непрерывный сбор и сохранение на жестком диске сигнатур событий, предварительно отобранных с помощью триггера. Оцифрованные сигнатуры сохраняются на диске как кандидаты на антинейтринные события и впоследствии обрабатываются специальным программным обеспечением, которое позволяет идентифицировать антинейтринные события путем анализа временных и амплитудных характеристик сохраненных сигнатур. 1.8.11 Система медленного контроля и управленияСистема медленного контроля и управления обеспечивает процедуры включения, поддержание рабочего состояния и выключения детектора, контролирует внешнее электропитание детектора и внутренние низковольтное и высоковольтное питание, контролирует температурные режимы детектора и температурные режимы помещения, в котором установлен детектор, радиационную интегральную обстановку в месте установки детектора, контролирует доступ к детектору (концевые выключатели и блокировки крышек). Система медленного контроля построена с использованием встраиваемых интеллектуальных датчиков и устройств связи с объектом управления (УСО), встраиваемых микроконтроллеров и программируемых контроллеров. Для связи УСО между собой и с управляющим компьютером системы медленного контроля используется высоконадежная сеть реального времени CAN bus, работающая под управлением протокола верхнего уровня CANopen. 1.8.12 Заключение Разработанная система сбора данных и управления детектором антинейтрино, является неотъемлемой частью детектора антинейтрино и обеспечивает его запуск, калибровку, долговременное функционирование и корректную интерпретацию происходящих в детекторе ядерных реакций. Выбранные технические решения основаны на промышленных решениях (скоростные платы АЦП с шиной PCI, шина CAN-bus, протокол CANopen ), что позволяет сделать систему легко воспроизводимой, масштабируемой и тиражируемой за счет применения покупных компонентов. Оригинальные компоненты системы, которые связаны с уникальностью разрабатываемого детектора, например триггерная схема, используют современные технологии FPGA, минимизирующие количество итераций при проектировании и обеспечивающие большую гибкость реализованных алгоритмов, что важно в силу экспериментального характера выполняемых работ. 1.9 Определение наиболее эффективных механизмов возбуждения ядер в плазме с учетом спектров электронов и рентгеновского излучения плазмы. Разработка комплекса высокоточных компьютерных программ для расчетов электронной оболочки атомов и ионов «из первых принципов» и сечений неупругого рассеяния электронов на ядре 1.9.1 Постановка задачи 7Be, начиная с работ Segre середины прошлого века, используется для исследования влияния химического окружения на скорость электронного захвата - процесса, при котором ядро 7Be в результате электрослабого взаимодействия поглощает электрон атомной оболочки и превращается в 7Li в реакции p + e- → n + e. К настоящему времени опубликованы данные более чем шести десятков измерений по захвату ядром 7Be электрона с K- и L-оболочек атома бериллия, находящегося в разных химических состояниях - BeO, BeF2, BeBr2, Be(OH)2, Be2+(OH)4, Be4O(CH3COO)6, Be(C5H5), внедренного в металлы - Al, Au, Cu, Pd, Ta, W, Zr и иные среды - Al2O3, LiF, графит, polyvinyl chloride, под давлением - BeO до 270 kbars и Be(OH)2 до 400 kbars, и при низких температурах - 7Be@C60 при 5 K и 7Be в Cu при 12.5 K. Несколько теоретических работ объясняют отдельные закономерности наблюдаемых явлений. Наибольшую интенсивность указанные исследования приобрели в последнее десятилетие. В 2005-2007 годах были выполнены измерения периода полураспада 7Be внутри фуллерена C60. Оказалось, что именно в системе 7Be@C60 эффект проявляется наиболее сильно: по сравнению с металлическим бериллием, находящимся при комнатной температуре, относительное изменение периода полураспада ядра 7Be внутри фуллерена достигает 0.83 % , когда 7Be@C60 находится при комнатной температуре, и 1.5 % когда 7Be@C60 охлажден до 5 K. Причем, имеет место увеличение константы распада при переходе от металлического 7Be к 7Be@C60. Численные расчеты в рамках метода DFT показали, что электронная плотность на ядре Be в системе 7Be@C60, находящейся при температуре 5 K, возрастает даже по сравнению с изолированным атомом бериллия. Увеличение составляет, примерно, 0.17 %. Трактуется этот результат как следствие сжатия 2s-оболочки атома Be в системе 7Be@C60. Причиной сжатия является отталкивающее взаимодействие между Be и C60. Такого рода выводы основываются на расчетах электронной плотности и энергий состояний методом функционала плотности. Целью работы являлась проверка гипотезы отталкивающего кора между Be и C60 поиск иной теоретической интерпретации экспериментальных результатов. 1.9.2 Методы расчета Нами дана принципиально иная теоретическая интерпретация экспериментальных результатов по влиянию оболочки фуллерена C60 на K- и L-захват электрона ядром 7Be. Она основывается на прецизионных расчетах электронных волновых функций основного и возбужденного состояний, а также энергий системы 7Be@C60 специально разработанным ab initio квантово-механическим кодом на базе метода Хартри-Фока с последующим учетом электронных корреляций по теории возмущения (MP2 метод), либо методом конфигурационного взаимодействия. Указанный метод дает точность расчета энергии нехимического взаимодействия молекул и атомов не хуже 10-3 эВ и является изначально адекватным поставленной задаче. Он хорошо зарекомендовал себя при разработке нового класса веществ на базе ароматических углеводородов для ячейки хранения водорода (hydrogen storage cell) и расчетах молекулярных термов фуллерена C60 с учетом конфигурационного взаимодействия. Первым пунктом нашего рассмотрения является концепция сжатия атома бериллия внутри фуллерена вследствие отталкивающего взаимодействия между Be и C60. Признаки существования такого отталкивающего взаимодействия основываются на соответствующих изменениях в положении энергетических орбиталей Be и C60 при образовании комплекса Be@C60. Энергетическая диаграмма уровней на рисунке 1.9.2.1, рассчитанная методом Хартри-Фока в даннинговском базисе cc-pVTZ-0.003.RI, демонстрирует качественное отличие от аналогичных диаграмм, рассчитанных методом функционала плотности. Наш расчет показал, что 2s-орбиталь Be в системе 7Be@C60 расположена ниже HOMO-орбитали C60 (см. рис. 1.9.2.1). Кроме того, LUMO-HOMO энергетическая щель C60 не изменилась после внедрения Be в фуллерен, а обе орбитали лишь незначительно сместились вниз. В пределах точности нашего метода расчета признаки отталкивания отсутствуют.  Рисунок 1.9.2.1 Энергия уровней и молекулярных орбиталей в С60, Ве и Be@C60. Кроме того, указанное отталкивание означало бы, что атомы углерода и расположенный в центре C60 Be находятся в области, аналогичной отталкивающему Ван дер Ваальсову кору, а «связывание» Be внутри C60 есть результат достаточно высокого потенциального барьера, создаваемого оболочкой фуллерена вокруг атома Be. Связывание в общепринятом понимании в такой системе отсутствует, основное состояние лежит выше нуля. Поэтому, в данной модели энергия системы 7Be@C60 должна быть больше суммы энергий 7Be и C60. Как следствие, 7Be@C60 должен быть метастабильным и иметь конечное время жизни относительно распада на 7Be и C60. Мы провели расчет полных энергий системы Be@C60, Be и C60. Оказалось, что расчет методом Хартри-Фока с учетом электронных корреляций во втором порядке теории возмущений (MP2) в базисе 6-31G** дал отрицательные значения для разности энергий Be@C60 и (Ве+С60) как для расчета с CP-коррекцией, так и без нее: – (0.41 – 0.63) эВ. Это говорит о том, что комплекс 7Be@C60 в основном состоянии стабилен относительно распада на 7Be и C60 и еще раз подтверждает, что отталкивания в системе Be@C60 нет. Отсутствие отталкивающего взаимодействия между Be атомом и C60 в основном состоянии комплекса Be@C60 ставит под сомнение концепцию «сжатия» оболочки атома Be. Нам удалось показать, что действительно никакого сжатия 2s орбитали Be в 7Be@C60 нет даже на уровне расчета методом Хартри-Фока. Электронную плотность (r) многоатомной системы мы представляли через волновые функции (ВФ) – это нормированные на единицу молекулярные орбитали (в методах на основе Хартри-Фока). Для вычисления электронной плотности на ядрах бериллия (в данном случае это точка r = 0, поскольку атом бериллия согласно нашим расчетам и расчетам методом функционала плотности располагается в центре фуллерена) использовались два различных технических приема. В первом способе, к стандартным гауссовым базисам на Be (например, cc-pVTZ, 6-31G**) добавлялись узкие функции, аналогичные ВФ s-состояний в кулоновском поле с показателями экспонент от 103 до 108 обратных боровских радиуса aB. Кроме того, для контроля точности вычислений электронная плотность на ядрах получалась путем экстраполяции локальной плотности вблизи ядра в точку положения ядра. При этом использовалась известная (следствие теоремы Като) нерелятивистская асимптотика электронной плотности многоэлектронной системы в поле кулоновского центра. Совпадение значений электронной плотности на ядрах бериллия, полученных двумя способами с точностью не хуже 0.03 в единицах aB-3 (т.е. не хуже 0.1 %), характеризует уровень численной ошибки в рамках метода. Наш расчет дает увеличение электронной плотности на ядре с 34.75 aB-3 в металлическом бериллии до 35.48 aB-3 в 7Be@C60, что соответствует относительному росту на 2.1 %. Результат значительно превышает по величине возможную ошибку расчета за счет температурных эффектов и хорошо согласуется с экспериментальными данными. Что касается атома Be, то для него согласно нашим расчетам (0) = 35.38 aB-3. Эта плотность, примерно, на 0.28 % меньше расчетной плотности в 7Be@C60, что, в целом, коррелирует с результатами вычислений по методу DFT. 1.9.3 Новая интерпретация экспериментальных данных Чтобы понять действительную причину увеличения электронной плотности 2s-орбитали Be на ядре рассмотрим рисунок 1.9.3.1.  Рисунок 1.9.3.1 Электронная плотность 1s и 2s состояний изолированного атома Ве и первой и второй орбиталей атома Ве в комплексе Be@C60: 1 (5) - 2s (1s) Be, Хартри-Фок; 2 (6) - 2s (1s) Be@C60, Хартри-Фок; 3 (7) - 2s (1s) Be@C60, модельный потенциал на рис. 1.9.1.3.2; 4(8) - 2s (1s) Be@C60, модельный потенциал с модельной потенциальной ямой на рис. 1.9.1.3.2. На нем показано поведение парциальных электронных плотностей атома Be в системе 7Be@C60, посчитанных методом Хартри-Фока и в модельном потенциале. Видно, что электронная плотность 2s орбитали, рассчитанная по методу Хартри-Фока, обращается в ноль в области r 5aB, так как соответствующая волновая функция проходит здесь через ноль и меняет знак. Вклад 1s при r > 3aB уже пренебрежимо мал. Нулевая вероятность нахождения валентных 2s электронов атома бериллия в области r 5aB имитирует отталкивающий кор между оболочками Be и C60. При этом никакого реального отталкивающего взаимодействия для 2s электронов нет. Выделенный из хартри-фоковской электронной плотности потенциал (штриховая линия на рис. 1.9.3.1) является потенциалом притяжения. Чтобы исследовать ситуацию детально, мы вычислили модельный потенциал, показанный на рис. 1.9.3.2.  Рисунок 1.9.3.2 Потенциалы для Be 2s орбитали в комплексе Be@C60: 1 – Кулоновский потенциал; 2 – модельный потенциал (экранированный кулон); 3 – потенциальная яма выделенная из potential well extracted from хартри-фоковской электронной плотности; 4 – модельный потенциал «2» с модельной потенциальной ямой. Он был получен путем итерационного расчета эффективной экранировки 1s и 2s электронами кулоновского потенциала Be. Для моделирования второго узла 2s орбитали в комплексе Be@C60 и увеличения электронной плотности на ядре Be мы добавили эффективный сферически-симметричный потенциал притяжения с минимумом на ядрах углерода, моделирующий реальный притягивающий потенциал (штриховая линия на рис. 1.9.3.2). Далее в суммарном модельном потенциале рассчитывались волновые функции 1s и 2s электронов. Полученная электронная плотность, как видно на рис. 1.9.3.1, хорошо воспроизводит расчет электронной плотности методом Хартри-Фока. Оказалось, что добавление к потенциалу, моделирующему экранированный кулоновский потенциал Be (“модельный потенциал” на рис. 1.9.3.2), потенциала притяжения на оболочке фуллерена (“модельная потенциальная яма” на рис. 1.9.3.2) действительно приводит к появлению второго узла ВФ 2s орбитали, фактически превращая ее в 3s орбиталь в новом обобщенном потенциале. Эта 3s орбиталь оказалась в общем потенциале несколько выше по энергии, чем 2s орбиталь в атоме Ве, и обладает немного большей амплитудой в нуле. Оба эти результата являются следствием глубины и ширины потенциальной ямы, генерируемой стенкой фуллерена. |
Похожие:
 | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
 | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Санкт-петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им. В. И. Ульянова (ленина) | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... «Разработка новых методов индивидуальной коррекции сводно-радикального статуса при бактериальных инфекциях» |
