Рентгеновская дифракция, источники рентгеновского излучения и основные методы рентгеноструктурного анализа.
Занятие 1. Физика рентгеновских лучей и взаимодействие рентгеновских лучей с веществом. Современная рентгеновская техника и способы регистрации.
Физика рентгеновских лучей. Волновые свойства рентгеновских лучей: преломление и отражение. Корпускулярные свойства рентгеновских лучей: упругое и неупругое рассеяние. Непрерывный и характеристический рентгеновские спектры. Коэффициенты ослабления рентгеновских лучей. Рассеяние рентгеновских лучей, электронов и нейтронов. Томсоновское – рассеяние на покоящемся электроне. Рэлеевское – рассеяние на атомах и молекулах. Неупругое комптоновское рассеяние. Обратный комптон-эффект. Поляризационный множитель. Атомный множитель. Аномальное рассеяние рентгеновских лучей. Особенности рассеяния мессбауэровских квантов.
Источники рентгеновского излучения и его использование в методах исследования конденсированных систем. Монохроматоры, фильтры, рентгеновская оптика. Методы регистрации рентгеновских лучей.
Занятие 2. Кинематическая теория дифракции. Основные методы рентгеноструктурного анализа.
Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом. Формула Вульфа-Брэгга. Анализ интерференционной функции. Интерференционное уравнение Лауэ. Структурный анализ как преобразование Фурье. Формула Селякова – Шерера. Геометрическая интерпретация интерференционного уравнения. Атомный и структурный множители. Множитель Лоренца. Температурный множитель. Множители поглощения и повторяемости. Первичная и вторичная экстинкция в кристаллах.
Метод Лауэ. Метод Косселя. Метод вращения монокристалла. Метод порошков. Рентгеновская дифрактометрия поликристаллов. Рентгеновский фазовый анализ: качественный и количественный. Базы данных. Метод Ритвельда – метод восстановления исследуемой структуры. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей. Исследование монокристаллов и тонких пленок. Рентгенографический анализ текстур. Классификация остаточных напряжений. Измерение макро- и микронапряжений.
Занятие 3. Примеры исследования конструкционных материалов для тепловых реакторов.
Компоненты активной зоны реакторов на тепловых нейтронах. Особенности рентгеновского фазового анализа материалов при использовании синхротронного излучения. Построение температурных зависимостей растворения и выделения фаз. Текстурный анализ изделий с использованием дебаевских колец. Примеры исследования циркониевых сплавов.
Методы исследования тонкой структуры с использованием синхротронного излучения.
Занятие 4. Основные свойства синхротронного излучения. Методы исследований с использованием синхротронного излучения.
История развития синхротронного излучения (СИ). Основные свойства релятивистских и ультрарелятивистских электронов. Понятие релятивистского лоренц-фактора. Характер излучения ультрарелятивистских электронов в поперечном магнитном поле. Основные свойства СИ: малая расходимость, высокая яркость, высокая интенсивность, частичная когерентность. Временная структура СИ. Динамика электрона, движущегося в накопительном кольце. Спектр синхротронного излучения. Элементы и принципы устройства синхротрона. Мировые центры синхротронных исследований.
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Рассеяние и поглощение рентгеновского излучения. Рентгеновские методы диагностики и исследования наноструктур с использованием синхротронного излучения. Аномальная рентгеновская дифракция. Парная радиальная функция распределения атомов. Рентгеновская и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением.
Занятие 5. Локально - чувствительные методы исследования тонкой структуры: XANES, EXAFS, RIXS, XMCD.
Рентгеновская спектроскопия поглощения (XANES и EXAFS). Физические основы EXAFS- спектроскопии. Вид экспериментально определяемого коэффициента поглощения рентгеновского излучения. Физические причины возникновения осциллирующей структуры коэффициента поглощения. Теория EXAFS. Определение EXAFS- функции. Амплитуда и фаза обратного рассеяния фотоэлектронов, зависимость от волнового вектора. Фактор Дебая-Валлера в EXAFS- спектроскопии. Методы моделирования EXAFS- функции. Извлекаемые из EXAFS- спектров параметры локальной атомной структуры. Резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей RIXS. Рентгеновский магнитный круговой дихроизм XMCD.
Занятие 6. Тонкая структура высокотемпературных сверхпроводников.
Особенности анализа EXAFS- спектров высокотемпературных сверхпроводников – аномальное отклонение от закона гармонического колебания атомов. Методы исследования EXAFS- спектров высокотемпературных сверхпроводников при низких температурах и сверхвысоких давлениях. Рентгеновские лазеры на свободных электронах: принципы и устройство. Европейский лазер на свободных электронах EuXFEL (Гамбург, Германия). Pump-probe эксперименты с временным разрешением. Рентгеновская спектроскопия поглощения с временным разрешением tr-XAS ВТСП на основе BaBiO3.
Физические проблемы исследований сверхпроводящих материалов.
Занятие 7. Основы сверхпроводимости. Методы исследования сверхпроводящих материалов. Криогенная техника для оптических, рентгеновских и синхротронных исследований.
Физические основы явления сверхпроводимости. Основные экспериментальные факты физики сверхпроводимости. Классификация материалов. Традиционные, экзотические и практические сверхпроводящие материалы их свойства.
Криогенная и вакуумная техника. Особенности конструкций криостатов для оптических, рентгеновских и синхротронных исследований. Особенности техники измерения в вакууме. Конструкции оптических и рентгеновских окон.
Занятие 8. Исследования локальных состояний в сверхпроводниках с помощью синхротронных и оптических методов.
Обзор экспериментальных методик для исследования локальных структурных и динамических характеристик сверхпроводников с помощью синхротронных и оптических методов. Pump-probe методика исследования локальных нестационарных состояний в сверхпроводниках.
Занятие 9. Применение сверхпроводниковых систем в синхротронных экспериментах.
Сверхпроводящие провода и гибкие ленты. Конструкции сверхпроводящих магнитов. Принципы расчета сверхпроводящих магнитных систем. Критическая поверхность. Выбор рабочих температур и токов. Особенности конструкции исследовательских, поворотных сверхпроводящих магнитов, сверхпроводящих ондуляторов и вигглеров.
Методы получения тонких пленок для рентгеновских и синхротронных исследований.
Занятие 10. Сравнительный анализ методов получения тонких пленок. Физические основы метода импульсного лазерного напыления.
Обзор химических и физических способов осаждения тонких пленок, их возможностей и областей применения. Обзор истории развития методов напыления с использованием лазерного излучения, Используемое оборудование и напылительные системы. Физические принципы лазерного напыления. Методы контроля условий роста и методы исследований структуры и состава пленок.
Занятие 11. Особенности лазерного синтеза тонких пленок для рентгеновских и синхротронных исследований.
Способы получения тонких пленок большой площади поверхности методом импульсного лазерного напыления. Методы снижения шероховатости поверхности пленок. Новые направления развития метода лазерного напыления. Комбинаторное импульсное лазерное напыление пленочных образцов. Особенности лазерного напыления пленок полимеров и биоматериалов.
Теория и эксперимент при проведении нейтронных исследований.
Занятие 12. Принципы нейтронных исследований. Основные понятия теории рассеяния нейтронов.
Классификация нейтронов в зависимости от их энергии. Основные процессы взаимодействия медленных нейтронов с веществом. Преимущества применения рассеяния медленных нейтронов в исследованиях конденсированных сред. Первый источник нейтронов. Изотопные источники нейтронов. Реактор как источник нейтронов. Генерация нейтронов на ускорителях.
Амплитуда и сечение рассеяния. Оптическая теорема. Фазовая теория рассеяния. Рассеяние медленных нейтронов на ядрах без спина, длина рассеяния. Рассеяние в борновском приближении. Псевдопотенциал Ферми.
Занятие 13. Нейтронные исследования конденсированных сред.
Брэгговское рассеяние на ядрах без спина. Изотопическая некогерентность. Преломление нейтронов на границе раздела сред. Угол полного отражения.
Коэффициент преломления нейтронов. Влияние корреляций на интенсивность малоуглового рассеяния. Многократное малоугловое рассеяние нейтронов.
Нейтронография кристаллов, газов и жидкостей. Нейтронная спектроскопия. Малоугловой нейтронный дифрактометр. Принцип действия двухкристального дифрактометра. Нейтронный интерферометр.
Особенности исследований материалов ядерной и термоядерной энергетики с применением синхротронных и нейтронных методов.
Занятие 14. Исследования материалов термоядерных реакторов.
Основы термоядерного синтеза и удержания плазмы в термоядерных установках с магнитным удержанием. Современное состояние и перспективы управляемого термоядерного синтеза. Условия эксплуатации (температурный диапазон, потоки тепла и частиц) основных конструкционных элементов (обращенные к плазме элементы, электромагнитная система, средства диагностики плазмы). Перспективные материалы (сплавы, композиты) для термоядерных реакторов. Применение синхротронных и нейтронных методов диагностики состояния и свойств конструкционных материалов термоядерных реакторов.
Занятие 15. Исследования материалов реакторов на быстрых нейтронах.
Реакторы на быстрых нейтронах, их устройство. Материалы активной зоны реакторов на быстрых нейтронах, анализ структурно-фазового состояния материалов в исходном состоянии и в условиях радиационных нагрузок. Возможности применения синхротронных и нейтронных методов исследования для исследования конструкционных материалов реакторов на быстрых нейтронах.