Введение к работе
профессор А.А. Ахкубеков
Актуальность темы.
Монослой инертного газа на базальной плоскости графита (0001) представляет интерес как двухмерная система с большим разнообразием поверхностных структур и фазовых переходов между ними. Метод молекулярной динамики дает возможность получить для этой системы уравнение состояния, которое удается аппроксимировать ван-дер-ваальсовской зависимостью. Такой подход позволяет выразить критические параметры системы, а именно, температуру, давление и объем через две постоянные Ван-дер-Ваальса. До настоящего времени остается открытым вопрос о корректном учете взаимодействия адсорбированных атомов с подложкой и термостатом. Для решения этой задачи нами развивается подход, связанный с заменой уравнений движения Ньютона на уравнения Ланжевена путем введения в функцию Лагранжа адатомов диссипативной части. При этом взаимодействие адатомов с термостатом учитывается посредством введения сил трения, направленных вдоль и противоположно скорости в случаях подвода и отвода тепла соответственно. Это также позволяет регуляризовать процедуру решения дифференциальных уравнений, избегая разогрева (охлаждения) системы из-за дискретности численных схем интегрирования.
Решение задачи эманационно-термического анализа для изучения адсорбционных и транспортных характеристик углеродных материалов, исследование прозрачности нанофильтров и молекулярных сит с проточной методикой, требует прецизионного измерения потока радона (220Rn, 222Rn). Плотность потока радона из почв, грунтов и конструкционных материалов обусловливает концентрацию радона в воздухе лабораторных и жилых помещений, определяя технологическую и экологическую пригодность последних. До настоящего времени методы измерения концентрации радона в воздухе по гамма- и бета- активностям дочерних продуктов его распада (ДПР) носили лишь качественный характер. Они основывались на непрямых измерениях и были подвержены большим систематическим ошибкам. Изменить ситуацию может использование сцинтилляционного детектора с большим кристаллом за счет более полного сбора гамма-квантов в 4-геометрии. Поэтому актуальна разработка соответствующего экспериментального метода.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы являются получение термодинамического уравнения состояния монослоев криптона, ксенона и радона на базальной плоскости графита (0001), изучение процессов их объемной и поверхностной конденсации, развитие на их основе методов прецизионных измерений плотностей потоков радона и тепловых нейтронов.
Для достижения указанной цели ставились и решались следующие задачи:
- методом молекулярной динамики получить уравнение состояния криптона, ксенона и радона на базальной плоскости графита (0001),
- изучить процесс объемной и поверхностной конденсации инертных газов в присутствии гравитационного и электрического внешних полей,
- разработать и экспериментально реализовать новый метод непрерывного количественного измерения концентрации радона-222 в воздухе по гамма- активности аэрозольных частиц захвативших ДПР радона,
- рассчитать эффективность и чувствительность цилиндрических детекторов тепловых нейтронов и связать темп их счета с плотностью потока нейтронов,
- установить теоретическую связь между потоком быстрых нейтронов и частотой регистрации тепловых нейтронов детектором, окруженным твердотельным (Pb, Bi, U) генератором вторичных нейтронов.
Научная новизна полученных результатов:
Методом молекулярной динамики получено двумерное уравнение состояния криптона, ксенона и радона на поверхности графита.
В рамках метода молекулярной динамики разработана методика получения уравнения состояния вблизи точек поверхностной и объемной конденсации инертных газов.
На базе разработанной методики проведен учет влияния диполь-дипольного взаимодействия атомов индуцированного внешним электрическим полем на уравнение состояния, а также установлена динамика формирования границы раздела фаз при конденсации инертных газов в гравитационном поле.
Разработан новый экспериментальный метод количественного определения концентрации радона в воздухе основанный на измерении активности конденсационных и диспергационных аэрозольных частиц, осаждаемых на фильтре.
Рассчитаны эффективность и чувствительность цилиндрических детекторов тепловых нейтронов в зависимости от содержания рабочих изотопов.
Построена модель, устанавливающая связь между внешним потоком быстрых нейтронов и темпом регистрации тепловых нейтронов детектором, окруженным твердотельным генератором вторичных нейтронов.
Практическая значимость результатов работы
Предлагаемая реализация метода молекулярной динамики используется для моделирования формирования нанокластеров в объеме и на поверхности раздела фаз. Результаты по адсорбции инертных газов на базальной плоскости поверхности графита (0001) и образованию сверхрешеток могут быть использованы в технологиях с применением графенов.
Развитый в работе метод непрерывного измерения концентрации атомов радона в воздухе, основанный на захвате ДПР радона аэрозольными частицами, в отличие от существующих, может быть использован в условиях высокой влажности и запыленности.
Результаты по прецизионному измерению плотности потока нейтронов используются в низкофоновых исследованиях, а также рекомендуется использовать в ядерной геофизике для идентификации радоновых выбросов и в ядерной энергетике для диагностики состояния реакторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Уравнение состояния криптона, ксенона и радона на базальной плоскости поверхности графита.
Уравнение состояния инертного газа с учетом поляризации атомов во внешнем электрическом поле.
Новый метод непрерывного количественного определения концентрации радона в воздухе, основанный на измерении гамма-активности конденсационных и диспергационных аэрозольных частиц, осаждаемых на фильтре.
Результаты расчетов эффективности и чувствительности цилиндрических детекторов тепловых нейтронов и связь между плотностью потока тепловых нейтронов темп их счета.
Модель, устанавливающая связь между потоком быстрых нейтронов и частотой регистрации тепловых нейтронов детектором, окруженным твердотельным генератором вторичных нейтронов.
Личный вклад автора. Автором лично выполнены все расчеты, представленные в работе. Разработаны программы для моделируемых задач и обработки результатов спектрометрических измерений. Автор принял участие в проведении экспериментов. Научный руководитель поставил задачи исследований, принял участие в обсуждении результатов.
Апробация результатов.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Баксанская Молодежная школа экспериментальной и теоретической физики, БМШ ЭТФ-2005, КБГУ, пос. Эльбрус, 18-23 апреля, 2005 г.
Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-2006». – пос. Эльбрус, 2006 г.
Баксанская Молодежная школа экспериментальной и теоретической физики, БМШ ЭТФ-2006, КБГУ, пос. Эльбрус, 17-23 октября, 2006 г.
Международный научно-практический семинар «Экологические проблемы современности», г. Майкоп, 12-15 мая, 2009 г.
Международная научно-практическая конференция “Прикладные аспекты геологии с использованием современных информационных технологий”, г. Майкоп, 16-20 мая, 2011г.
XV Международная школа “Частицы и космология”, г. Троицк, 26-30 мая, 2011 г.
Региональный научный семинар им. С.Н. Задумкина по физике фежфазных явлений, КБГУ, 2005-2011 г.г.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 8 работ, 2 из них – в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 5 таблиц. Состоит из введения, четырех глав и списка литературы из 99 наименований.
