Исследование структуры нанодисперсных пористых полимерных объектов методом малоуглового нейтронного и рентгеновского рассеяния, страница 2

Данные,полученные в работе, могут быть использованы при практическомприменении дендримеров. Результаты настоящей работы нашли практическуюреализацию при контролируемом синтезе новых дендримеров в Институтесинтетических полимерных материалов им. Н.С.Ениколопова.Полученные количественные результаты для нескольких типов ПЭМмогут быть использованы для совершенствования полиэлектролитныхматериалов.Показано, что поликарбонатные трековые мембраны проявляют большуюмонодисперсность, чем полиэтилентерефталатные.Для нескольких типов поликарбонатных мембран показана высокаястепень монодисперсности.

Этот показатель исключительно важен длянанотехнологических задач (нанолитографии, резистивно-импульсногодетектирования биологических молекул, приготовления везикул липидныхмембран).Разработана, внедрена и верифицирована новая эффективнаяконфигурация малоугловой установки, позволяющая увеличить динамическийдиапазон по вектору рассеяния q вдвое и вдвое сократить время эксперимента.Установкапозволяетосуществлятьпринципиальноновуювысокоэффективную схему эксперимента, которая применяется c 2000 года.В ходе выполнения работы сформулированы задачи и дальнейшие шагимодернизации ЮМО.Апробация работы.Основные положения работы и ее отдельные результаты докладывались на 4ой Европейской конференции по нейтронному рассеянию, 25-29 июня 2007,Лунд, Швеция; Рабочем совещании по малоугловому рассеянию,посвященному 70-летию со дня рождения Ю.М. Останевича, 5-8 октября, 2006г.

Дубна, Россия; на V Рабочем Совещании по исследованиям на реактореИБР-2, Дубна, 14-17 июня 2006 г. Дубна, Россия; IV Рабочем Совещании поисследованиям на реакторе ИБР-2, 14-15 июня 2005 г. Дубна, Россия;Совещании пользователей по использованию нейтронов для изучения физикиконденсированного состояния на ИБР-2 в рамках программы Германия-ОИЯИ,12-16 июня 2004 г., Дубна, Россия; 3-ей Европейской конференции понейтронному рассеянию, 3-6 сентября 2003 г., Монпелье, Франция; XIIмеждународной конференции по малоугловому рассеянию, 25-29 августа 2002г.

Венеция, Италия; II Совещании по исследованиям на реакторе ИБР-2, 17-19июня 2002 г. Дубна, Россия; XIX Совещании по использованию рассеяниянейтронов в исследованиях конденсированного состояния, Дубна, 12-156сентября 2006 г.; XVII Совещании по использованию рассеяния нейтронов висследованиях конденсированного состояния, 14-19 октября 2002 г. Гатчина,ПИЯФ; II Российско-немецком совещании, апрель 21-25, 2001 г. Дубна,Россия; Международной Конференции по Нейтронному рассеянию (ICNS) 913 сентября 2001 г.

Мюнхен, Германия; на 4-м Международном симпозиумепо облучению и полимерам IRAP 2000, 24-28 сентября 2000 г., Гово-Шантили,Франция.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, включая 11журнальных публикаций.Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав,заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертациисоставляет 179 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка, 17 таблици 187 библиографических ссылок.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность исследуемой темы, научная новизна,сформулированы цели, практическая ценность работы и краткое описание главдиссертации.

В первой главе приведен обзор литературных данных омалоугловых установках, проведена их классификация. На основе анализалитературных данных сформулированы основные задачи исследования.Во второй главе изложены результаты модернизации и описанаустановка малоуглового рассеяния ЮМО, основные достоинства и новыевозможности малоуглового спектрометра после модернизации. Основнымихарактеристиками малоуглового спектрометра являются: светосила, диапазон(динамический диапазон) по вектору рассеяния q (определяющий диапазонпространственных масштабов, доступных для исследования), возможностьпроводить измерения в абсолютных единицах дифференциального сечениярассеяния, разрешение установки и фон.

На улучшение этих характеристик ибыли направлены основные усилия по модернизации спектрометра ЮМО, какодной из задач диссертационной работы.Приведены результаты измерений потоков в позиции образца.Особенностью спектрометра является прямая видимость замедлителянейтронов. Это означает, что спектры, полученные на спектрометре,соответствуют распределению по энергиям (длинам волн нейтронов), что и назамедлителе. Представлены метод и результаты измерений абсолютныхспектров и потоков тепловых нейтронов на малоугловой установке ЮМО на4-м канале ИБР-2 с гребенчатым водяным замедлителем. Экспериментыпроведены при разных условиях работы установки ЮМО: изменялиськоллимация, экспозиция, ширина временного окна, устанавливался кадмиевыйэкран. Эти результаты сопоставлены с рассчитанными методом Монте-Карлоспектрами и потоками при различных апертурах коллиматора в позицииобразца.

Приведены спектры рассеянных нейтронов и гамма-квантов, которыеопределяют нейтронный и гамма фон на установке. Впервые определенырадиационные дозы на месте образца. Полученные экспериментальные данные7учитывались при планировании экспериментов, расчетов сечений рассеяния,фона, а также были использованы для оптимизации и модернизации установкиЮМО. Развитые методики имеют общий характер и могут быть использованыдля надежного определения абсолютных значений параметров пучковтепловых нейтронов и на других нейтронных установках.В этой же главе изложены основные физические результатыисследований и принцип действия новой эффективной конфигурацииспектрометра ЮМО.

Её основой является двухдетекторная системарегистрации рассеянных нейтронов по методу времени пролета. Принципдействия многодетекторной системы состоит в следующем. Часть рассеянныхна образце частиц (нейтронов) регистрируется ближайшим к образцудетектором, другая часть проходит через центральное отверстие этогодетектора и регистрируется следующим по удаленности от образцадетектором. Прошедшая через центральное отверстие второго детектора инезарегистрированная часть частиц попадает на третий детектор и так далее.Предложенная новая конфигурация установки малоуглового рассеяниянейтронов позволяет вдвое увеличить динамический диапазон по векторурассеяния q и уменьшить время на экспозицию образца вдвое.Другим важным элементом установки является система абсолютнойкалибровки интенсивности рассеянных нейтронов.

Дано теоретическоеобоснование процедуры абсолютной калибровки для двухдетекторногорежима работы спектрометра. Показано, что влияние первого ванадиевогостандарта в положении “в пучке” не оказывает существенного влияния наабсолютные значения интенсивности рассеяния нейтронов. Новаяконфигурация установки реализована на малоугловом спектрометре по методувремени пролета ЮМО.Таким образом, предложенная схема эксперимента позволяет расширитьугловой диапазон рассеянных образцом излучений (в случае медленныхнейтронов диапазон по вектору рассеяния q), по меньшей мере, вдвое посравнению со схемой последовательного перемещения детектора по базеобразец-детектор при одном и том же времени экспозиции образца. Даннаяметодика измерений использует времяпролетный метод. Однако, это неозначает принципиального запрета на ее использование на соответствующихустановках, размещенных на нейтронных пучках стационарных источников.Известно, что на таких установках Dl/l»10-20%, и это приводит к некоторомуперекрытию спектров рассеянных нейтронов, регистрируемых различнымидетекторами, в том случае, когда размер нечувствительной зоны ближнего кобразцу детектора достаточно мал.

Является ли двухдетекторная системапредпочтительней установки с одним, но большим детектором? Например, вслучае ЮМО, эквивалентный детектор должен был бы иметь диаметр 2.5метра. Известно, что наибольший детектор сейчас имеет размер 1х1 метр (Д22,ILL, Гренобль) и стоимость его огромна. Добавим, что существуют ипринципиальные технические ограничения на размер детектора. Таким8образом, сейчас не существует разумных альтернатив двух (много)детекторным малоугловым установкам.Двухдетекторная система является основой изменений спектрометра, ноэтим не исчерпывается модернизация спектрометра.

Был проведен анализсостояния спектрометра. Указаны причины необходимости модернизации ипоказаны изменения узлов спектрометра: детекторов рассеянных нейтронов,детектора прямого пучка, коллиматоров, электроники управления, окруженияобразца. На примерах демонстрируются улучшение фоновых условий,расширение диапазона и динамического диапазона по вектору рассеяния q.Перечислены расширенные возможности по управлению спектрометром иокружению образца.

Проведено сопоставление основных параметровустановки до и после модернизации. Показано, что применение вейвлетанализа в процедуре обработки данных МУРН существенно улучшаеткачество кривой рассеяния.Предложенная двухдетекторная система дает и уникальную возможностьизучатьсбольшойэффективностьюпереходныепроцессывконденсированном состоянии вещества методом МУРН. Благодарядвухдетекторной системе были получены многие уникальные результаты. Вчастности, при исследовании кремнийорганических дендримеров 5, 6 и 7-ойгенераций, был использован как широкий динамический диапазон по векторурассеяния q, так и возможность получения кривых рассеяния в абсолютныхединицах сечения.

Именно последнее обстоятельство, например, позволилодоказать проникновение растворителя внутрь дендримера. На примереполиэлектролитных мембран показано, что узкий диапазон по векторурассеяния q даёт возможность получить или Гинье-аппроксимацию (малые q)или области для больших q. Использование же широкого динамическогодиапазона позволяет определить как форм-фактор, так и структурный факторорганизации мицелл, что существенно меняет представление опространственной организации полиэлектролитных плёнок.Третья глава посвящена изучению дендримеров методом малоугловогорассеяния нейтронов и рентгеновских лучей.Дендримеры – особый класс сверхразветвленных полимеров. Синтездендримеров (1985 г.) привлёк внимание исследователей, во-первых,необычной пространственной архитектурой, во-вторых, высокой степеньюмонодисперсности, и, наконец, в-третьих, потенциальной возможностьюпрактического применения в медицине и нанотехнологиях.Монодисперсность – ключевой параметр для использования дендримера вкачестве тестового объекта.