ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2013, том 47, № 4, с. 268-274
РАДИАЦИОННАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ХИМИЯ
УДК 541.15:539.189.2
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ РЯДА ЖИДКИХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СРЕД МЕТОДАМИ ПОЗИТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
© 2013 г. В. И. Графутин, Л. В. Ельникова, О. В. Илюхина, Г. Г. Мясищева,
Е. П. Прокопьев, Ю. В. Фунтиков
ФГБУ "ГНЦРФ Институт теоретической и экспериментальной физики" им. А.И. Алиханова
117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 E-mail: grafutin@itep.ru Поступила в редакцию 18.10.2012 г.
Исследована структура ряда жидких молекулярных сред методом позитронной аннигиляционной спектроскопии. По параметрам аннигиляционных спектров определены размеры полостей, в которых локализуется атом позитрония. Обсуждается возможность идентификации химического состава атомов, образующих "стенку" позитрониевого пузырька.
Б01: 10.7868/80023119713040054
Позитронная аннигиляционная спектроскопия (ПАС) является современным методом изучения структуры вещества. Ее суть состоит в имплантации в исследуемый образец позитронов, образующихся в результате Р+-распада источника (как правило, ядер изотопов 22№, 64Си, 58Со, 44И), и последующей регистрации характеристик ан-нигиляционного у-излучения. В позитронной спектроскопии позитрон выполняет функции зонда, аннигиляционные характеристики которого определяются свойствами среды, окружающей его в месте аннигиляции [1—7].
В веществе процесс аннигиляции позитронов может протекать как в свободных соударениях с электронами среды, так и через образование связанных состояний позитронов с электронами, атомами, молекулами и различными дефектами, при этом каждый канал аннигиляции вносит свой специфический вклад в экспериментальный ан-нигиляционный спектр.
В непроводящих молекулярных средах на конечном участке трека позитрона при взаимодействии термализованного е+ с одним из трековых электронов, выбитых позитроном в ходе его ионизационного торможения, может иметь место образование атома позитрония, Р8. Он представляет собой связанное состояние электрона и позитрона. Подобно атому водорода Р8 может находиться либо в орто-, либо в пара-состоянии в зависимости от взаимной ориентации спинов позитрона и электрона. Вероятности образования Р8 в орто- и пара-состояниях соотносятся как 3 к 1. Время жизни пара-позитрония в вакууме — 0.125 нс (он аннигилирует на 2 у-кванта), а орто-позитроний в вакууме живет 142 нс и распадается на три у-кванта. Одна-
ко, если орто-позитроний находится в среде в на-нопоре, то позитрон орто-позитрония может проаннигилировать не со "своим" электроном, входящим в состав позитрония, а с одним из окружающих его молекулярных электронов среды, имеющих противоположное позитрону направление спина. Этот процесс называется pick-off -аннигиляцией; скорость его зависит от распределения электронной плотности молекул среды, окружающих позитроний. При этом экспериментально наблюдаемое время жизни орто-позитро-ния радикально сокращается в зависимости от размера полости, в которой он находится. В случае пара-позитрония позитрон аннигилирует на собственном электроне, а экспериментально определяемая энергия аннигилирующей пары также определяется размером полости, в которой находится позитроний. Эти свойства являются главными при определении размера нанополо-стей и дефектов структуры. Естественно, для корректной интерпретации экспериментальных спектров ПАС необходимы надежные теоретические модели образования Ps, его взаимодействия со средой и продуктами радиолиза среды.
Для интерпретации экспериментальных результатов принято использовать модель, впервые предложенную Тао [8], в которой полость с локализованным позитронием (позитроном) аппроксимируется прямоугольной потенциальной ямой радиуса R0 с бесконечно высоким потенциальным барьером. Волновая функция позитрона (позитрония) на стенах ямы обращается в нуль. При этом предполагается, что аннигиляция позитронов происходит на внешних электронах молекул среды, образующих стенку полости с толщиной
электронного слоя AR [9]. Возникает вопрос, возможно ли из параметров аннигиляционных спектров извлечь информацию о химическом составе атомов, входящих в состав молекул, формирующих "стенку" полости, на которых происходит аннигиляция позитронов: т.е. какие атомы сложных молекул ориентированы внутрь полости. Кроме того представляет интерес выяснение механизма аннигиляции позитронов в молекулярных средах, а также получение информации о структуре этих сред из анализа параметров пози-тронных аннигиляционных спектров. Этим вопросам посвящена настоящая работа.
В настоящее время активно используются три основные разновидности ПАС: 1) регистрация временного распределения аннигиляционных фотонов (ВРАФ). Она состоит в измерении времени жизни каждого имплантированного в образец позитрона (т.е. интервала времени между регистрацией стартового у-кванта, испускаемого радиоактивным ядром, образующимся в момент ß+-распада источника позитронов, и одного из аннигиляционных фотонов с энергией 511 кэВ); 2) измерение углового распределения аннигиля-ционных фотонов (УРАФ). В этом случае регистрируется отклонение от 180 градусов угла разлета фотонов при 2у-аннигиляции; 3) измерение доплеровского уширения аннигиляционной линии (ДУАЛ). Здесь измеряется отличие в энергии аннигиляционных фотонов (при 2у-аннигиля-ции) от 511 кэВ (это особенно эффективно при регистрации по схеме совпадений, в которой триггером является фотон, испускаемый радиоактивным ядром сразу после рождения позитрона).
Метод ВРАФ дает сведения об электронной плотности в месте аннигиляции позитрона, а методы УРАФ и ДУАЛ дают информацию о распределении импульсов электронов среды. Таким образом, методики ВРАФ и УРАФ дополняют друг друга и позволяют экспериментально измерять параметры всех каналов аннигиляции позитронов в среде и тем самым получать развернутую информацию об электронных и дефектных свойствах среды. В совокупности применение этих позитронных методик позволяет извлекать уникальную информацию относительно точечных дефектов, а также радиационно-индуцированных повреждений размером до одного кубического нанометра. Порог чувствительность ПАС в отношении подобных дефектов составляет примерно 1014 дефектов/см3.
Данная работа посвящена исследованию пози-тронных состояний в ряде конденсированных молекулярных сред — вода, спирты и некоторые углеводороды.
Исследования проводились с использованием метода углового распределения аннигиляционных фотонов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Установка по измерению углового распределения аннигиляционных фотонов расположена в экспериментальном зале реактора ИРТ МИФИ. Источником позитронов в установке служит радиоактивный изотоп 64Си, получаемый облучением нейтронами изотопа меди 63Си в ядерном реакторе: 63Си + п —«- 64Си. Близость установки к ядерному реактору позволяет проводить работы с использованием мощных (несколько Кюри) источников позитронов, что существенно расширяет возможности установки, а тем самым и класс исследуемых сред.
Используемые в измерениях источники позитронов представляли собой пластинки размером 2 х 2 х 0.2 см, вырезанные из фольги электролитической меди. Пластинки облучались 1 сут в реакторе ИРТ МИФИ нейтронами до флюенса 1.7 х 1018 н/см2.
После выгрузки из реактора позитронные источники активностью несколько Кюри помещались в облучательную часть установки УРАФ. Угловое разрешение установки составляло 0.4 мрад. Число совпадений в максимуме кривой достигало (10-16) х 103.
Метод углового распределения аннигиляци-онных фотонов [1, 2] основан на регистрации совпадений от двух у-квантов с энергией ~511 КэВ, возникающих в результате аннигиляции электрон-позитронных пар и разлетающихся в противоположные стороны в системе центра масс пары. При аннигиляции электрон-пози-тронной пары выполняются законы сохранения импульса и энергии. Если центр масс пары неподвижен (V = 0), то оба у-кванта разлетаются в противоположных направлениях (угол 9 = 0) с одинаковой энергией к1е = к2е = т0с2 = 0.511 МэВ. Если V Ф 0, то углы между направлениями разлета у-квантов будут отличаться от 180°, а их энергия не будет равна 0.511 МэВ. Таким образом, измерение угла 9 (отклонение угла разлета у-квантов от 180° ) позволяет определить импульс е+-е- пары. Позитроны к моменту аннигиляции термализу-ются [10], поэтому угол разлета у-квантов определяется импульсом электрона. Обработка экспериментальных спектров проводилась в три этапа с использованием стандартной программы АСАКЛИ. На первом этапе проводилась деконво-люция спектров со свободными параметрами поиска на три компоненты, соответствующие ^-Рб, свободным позитронам и о-Рб. Параметры узкого гаусса, обусловленные аннигиляцией ^-Рб, определяются достаточно хорошо. На втором этапе дисперсия гауссовой кривой, описывающей аннигиляцию о-Рб, подбиралась таким образом, чтобы интенсивности ^-Рб и о-Рб соотносились как 1 : 3. Для уменьшения ошибок на третьем эта-
Типичный спектр УРАФ в конденсированных средах. По оси абсцисс отложен угол 9, выражающий отклонение угла разлета аннигиляционных у-квантов от 180° при 2у-аннигиляции, по оси ординат — число регистрируемых совпадений под заданным углом. 1 — Экспериментальный спектр УРАФ, 2, 3, 4 — соответственно параболическая и гауссовы компоненты спектра УРАФ, 4 — полная ширина на полувысоте гауссовых компонент далее обозначена символом Г. Параболическая компонента обусловлена аннигиляцией позитронов на электронах проводимости в проводящих средах.
пе фиксировались параметры интенсивности гауссовых компонент, определенные на втором этапе.
Типичный спектр УРАФ представлен на рисунке.
Экспериментальные результаты представлены в табл.1.
В сложных органических соединениях, содержащих С-Н- и О-Н-группы, экспериментальные спектры УРАФ можно представить суперпозицией ряда гауссовых компонент (как минимум трех), каждая из которых характеризует аннигиляцию из соответствующего позитронного состояния: 1) узкая компонента (Г1) — аннигиляция пара-позитрония, находящегося в полости (пузырьке); 2) промежуточная компонента (Г2) — р/с£-о$-аннигиляция орто-позитрония на электронах С-Н- и О—Н-групп; 3) широкая компо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.