авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Моделирование процесса конденсации инертных газов на поверхности графита и определение плотности потока радона и тепловых нейтронов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КАМАРЗАЕВ АХМЕД ВАЛЕРЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ГРАФИТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА РАДОНА И ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нальчик

2012

Работа выполнена на кафедре физики конденсированного состояния

ГОУ ВПО “Кабардино-Балкарский государственный университет

им. Х.М. Бербекова”

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук, профессор Хоконов Азамат Хазрет-Алиевич
Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук, профессор Кармоков Ахмед Мацевич
- доктор физико-математических наук, профессор Магкоев Темирлан Таймуразович
Ведущая организация: - ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет, г. Ставрополь

Защита состоится «15» февраля 2012 года в 1200 час. на заседании диссертационного совета Д 212.076.02 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу:360004, г.Нальчик, ул. Чернышевского, 173, зал заседаний совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КБГУ по адресу: г.Нальчик, ул. Чернышевского, 173, КБГУ, корпус 1.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направлять ученому секретарю диссертационного совета КБГУ профессору Ахкубекову А.А. по указанному адресу.

Автореферат разослан «__» января 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

профессор А.А. Ахкубеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

  1. Методом молекулярной динамики получено двумерное уравнение состояния криптона, ксенона и радона на поверхности графита.
  2. В рамках метода молекулярной динамики разработана методика получения уравнения состояния вблизи точек поверхностной и объемной конденсации инертных газов.
  3. 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.
  4. Разработан новый экспериментальный метод количественного определения концентрации радона в воздухе основанный на измерении активности конденсационных и диспергационных аэрозольных частиц, осаждаемых на фильтре.
  5. Рассчитаны эффективность и чувствительность цилиндрических детекторов тепловых нейтронов в зависимости от содержания рабочих изотопов.
  6. 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:

  1. Уравнение состояния криптона, ксенона и радона на базальной плоскости поверхности графита.
  2. Уравнение состояния инертного газа с учетом поляризации атомов во внешнем электрическом поле.
  3. Новый метод непрерывного количественного определения концентрации радона в воздухе, основанный на измерении гамма-активности конденсационных и диспергационных аэрозольных частиц, осаждаемых на фильтре.
  4. Результаты расчетов эффективности и чувствительности цилиндрических детекторов тепловых нейтронов и связь между плотностью потока тепловых нейтронов темп их счета.
  5. 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:

    1. Баксанская Молодежная школа экспериментальной и теоретической физики, БМШ ЭТФ-2005, КБГУ, пос. Эльбрус, 18-23 апреля, 2005 г.
    2. Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-2006». – пос. Эльбрус, 2006 г.
    3. Баксанская Молодежная школа экспериментальной и теоретической физики, БМШ ЭТФ-2006, КБГУ, пос. Эльбрус, 17-23 октября, 2006 г.
    4. Международный научно-практический семинар «Экологические проблемы современности», г. Майкоп, 12-15 мая, 2009 г.
    5. Международная научно-практическая конференция “Прикладные аспекты геологии с использованием современных информационных технологий”, г. Майкоп, 16-20 мая, 2011г.
    6. XV Международная школа “Частицы и космология”, г. Троицк, 26-30 мая, 2011 г.
    7. 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.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, определена научная и практическая ценность результатов.

Первая глава посвящена обзору работ по исследованию адсорбции инертных газов поверхностями углеродных материалов, экспериментальным методам измерения потоков радона и тепловых нейтронов. В этой же главе излагается метод молекулярной динамики, используемый далее для изучения конденсации инертных газов и построения их уравнения состояния на поверхности графита. Рассматривается метод эманационно-термического анализа, основанного на измерении активности радона и его ДПР, применительно к изучению адсорбции и диффузии атомов и молекул в углеродных материалах.

Во второй главе, методом молекулярной динамики, изучается термодинамическая система, представляющая собой атомы инертного газа адсорбированного на поверхности графита. Развивается подход, основанный на использовании уравнений Ланжевена для учета взаимодействия системы адсорбированных атомов с подложкой. Система уравнений Ньютона, описывающая классическую динамику адатомов, заменяется на систему уравнений Ланжевена

, (1)

где m – масса адатома, ri и vi координаты и скорости i-той частицы, U – включает в себя как взаимодействие адатомов между собой, так и их взаимодействие с подложкой и внешними полями, -управляющий параметр, имеющий смысл коэффициента трения и обеспечивающий подвод и отвод тепла, а также регуляризацию разностных схем интегрирования. Закон изменения внутренней энергии системы представим в виде





, (2)

где скорость отвода (подвода) тепла от системы определяется функцией:

. (3)

Выражение (3), в случае отвода тепла известно как диссипативная функция.

Уравнение состояния неидеального газа определяется на основе выражения

, (4)

где D - размерность системы, а вириал силы определяется соотношением

. (5)

Уравнение состояния получено на основе использования двухчастичной корреляционной функции :

, (6)

где -удельный объем, - парный потенциал Леннард-Джонса

, (7)

- глубина потенциальной ямы. В случае криптона , параметр определяет расстояние, на котором потенциалы притяжения и отталкивания равны между собой. Поверхность (0001) графита и система координат показаны на рисунке 1, где базисные вектора имеют вид

, , (8)

. Соответствующие базисные вектора обратной решетки равны

, , (9)

где .

Рис.1. Выбор базисных векторов для сверхрешетки на поверхности подложки (0001) графита.

На расстоянии z над базальной плоскостью графита периодический потенциал подложки можно записать в виде разложения по двумерным векторам обратной решетки:

, (10)

где , – вектор обратной решетки графита.

Для сверхрешетки базисные вектора определяются координатами:

и ,

где .

Соответствующие базисные вектора обратной решетки равны

и ,

где .

Коэффициенты в (10) быстро спадают с увеличением модуля и в сумме можно ограничиться ближайшими к началу координат шестью векторами, что приводит к следующему двумерному потенциалу:

. (11)

Моделирование состоит из следующих этапов. Первоначально адатомы равномерно размещаются на подложке. Размеры допустимой прямоугольной области Lx и Ly должны согласовываться с потенциальным рельефом подложки, чтобы избежать скачок потенциала при реализации периодических граничных условий. Число адатомов и площадь подложки определяют плотность в системе и объем, приходящийся на одну частицы в системе, . Начальные скорости задаются из соотношения , их направления распределены изотропно. Температура не является термодинамической температурой системы . Предварительно, переходом в новую систему координат исключаются поступательное и вращательное движения системы как целого. Это соответствует переходу в систему центра масс, в которой полные импульс и момент количества движения обращаются в ноль.

Для определения температуры необходимо привести систему к состоянию термодинамического равновесия и определить кинетическую энергию, приходящуюся на одну частицу. Давление в двумерном случае в системе можно найти, подсчитав переносимый частицами импульс за единицу времени через определенный контур. Полученное в результате моделирования уравнение состояния газа аппроксимируется уравнением типа Ван-дер-Ваальса:

, (12)

где давление измеряется в единицах , – характерный размер длины, в нашем случае равный 1 . Параметры и определяются фитированием данных моделирования по уравнению (12), что дает значения 4 и 2. Соответствующая критическая температура монослоя криптона определяются через постоянные и и равна 48,5±0,5 K.

Численное интегрирование уравнений движения адатомов основывалось на алгоритмах Верле и Рунге-Кутта четвертого порядка. На рис. 2 представлено радиальное распределение атомов криптона на базальной плоскости (0001) поверхности графита полученная в результате моделирования методом МД при температуре 65 К и его аппроксимация в приближении разреженного газ. На основании использования соотношения (12) и радиальной функции распределения построенной при одной и той же температуре для различных значений удельного объема, получено уравнение состояния криптона на поверхности графита представленное на рисунке 3.

 Радиальная функция распределения-50

Рис. 2. Радиальная функция распределения физадсорбированного слоя криптона на поверхности графита при удельном объеме =44 2, Т=65 К и константой взаимодействия с подложкой . 1 – результаты численного моделирования, 2 – первое приближение разложения по степеням плотности.

 График уравнения состояния-53

Рис. 3. График уравнения состояния криптона на графите при Т=100 К, полученное с помощью радиальной функции распределения. 1 – результаты численного моделирования, 2 – результат фитирования с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса.

Зависимость внутренней энергии от температуры, полученная в результате компьютерного эксперимента методом МД (калорическое уравнение состояния системы) показана на рисунке 4.

Соразмерная с подложкой фаза возникает в широком интервале температур Т=10-48 K при амплитуде потенциала взаимодействия адатомов с подложкой =19 К.

 Температурная зависимость-56



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.