Научный сотрудник МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок класса Мегасайенс» принял участие в измерениях на синхротроне BESSY II

Научный сотрудник МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок класса Мегасайенс» БФУ им. И. Канта Сивков Данил Викторович в составе научной группы лаборатории экспериментальной физики Физико-математического института Коми НЦ УрО РАН в период с 15 по 27 марта принял участие в серии экспериментов на Русско-Немецком канале выхода и монохроматизации синхротронного излучения накопительного кольца BESSY II (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung — нем. «Берлинское сообщество электронного накопительного кольца для синхротронного излучения») Центра им. Гельмгольца в Берлине (Германия).

Этот центр, объединяет исследования научных групп различных организаций: Freie Universität Berlin (Свободный университет Берлина), Дрезденского технического университета, Санкт-Петербургского государственного университета, Института кристаллографии им. А.В. Шубникова, Курчатовского института, Физико-технического института им А. Ф. Иоффе и технического университета города Фрайберга. В распоряжении исследователей находится источник синхротронного излучения 3-го поколения. Кольцо периметром 240 метров, имеет 46 выводов излучения из разнообразных магнитных устройств (вигглеры, ондуляторы, дипольные магниты).

Русско-немецкая станция RGBL на BESSY II была создана в рамках двухсторонней программы между Россией и Германией и успешно функционирует с 2001 года. Более 40 научных групп из 16 городов России проводят на RGBL свои исследования, подавая проекты на конкурс и получая время на измерения и финансовую поддержку. RGBL предоставляет линейно поляризованное излучение в интервале энергии квантов 70 — 1500 эВ. В этом спектральном диапазоне находятся 1s-края поглощения углерода, азота, кислорода и фтора, 2p-края поглощения серы, фосфора, хлора, калия и 3d-переходных металлов от скандия до меди. Таким образом, в лаборатории может быть исследован широкий диапазон объектов: от биоматериалов до наноструктурированных систем, что обеспечивает уникальную возможность сотрудничества немецких и российских ученых в области применения синхротронного излучения.

Экспериментальные исследования объединённой научной группы проводились в рамках прошедшего конкурсный отбор проекта Петровой Ольги Викторовны (научный сотрудник лаборатории экспериментальной физики Физико-математического института Коми НЦ УрО РАН) «NEXAFS и XPS исследования медно-углеродного катализатора на основе многостенных углеродных нанотрубок», который направлен на развитие метода создания технологических объектов — катализаторов химических реакций на основе меди. 

Медьсодержащие катализаторы находят широкое применение, в частности в нефтехимии, как в промышленных, так и в лабораторных синтезах. Они используются в таких важных процессах, как гидрогенизация и дегидрогенизация, гидратация, окисление, конверсия водяного газа, нейтрализация токсичных газов. Для исследования подобных материалов критически важным параметром является интенсивность излучения. По этой причине использование лабораторного рентгеновского источника не применимо для их изучения из-за низкой интенсивности. Только высокоинтенсивные синхротронные источники в сочетании с современным спектральным оборудованием позволяют проводить детальные исследования электронной структуры наноматериалов с высоким энергетическим разрешением.

На данном этапе целью экспериментов было исследование наноразмерных медных покрытий, нанесенных методом осаждения металлорганических соединений из газовой фазы (metalorganic chemical vapour deposition, MOCVD) и методом электролитического осаждения на поверхности многостенных углеродных нанотрубок. Представленные объекты являются перспективными для использования в качестве эффективных катализаторов химических реакций и процессов. Важным параметром катализаторов является поверхность, чем она больше, тем выше их эффективность. Развитая поверхность имеют многостенные карбоновые нанотрубки.

На основании полученных данных были сделаны выводы о том, что сформированные покрытия на основе меди характеризуются хорошей адгезией к поверхности химически инертных карбоновых нанотрубок и развитая технология может быть использована для приготовления катализатора.

Сивков Данил Викторович, к.ф-м.н., научный сотрудник МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок класса Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:

«Поездка в Синхротронный центр на измерения с использованием современного спектрального оборудования позволила мне «потрогать руками» то, с чем я работал, занимаясь компьютерным моделированием. Это чрезвычайно интересно и важно для понимания тонкостей явлений, которые изучаешь. Хотя участие в измерениях и потребовало значительного напряжения сил, так как они проводились круглосуточно, и приходилось неделю функционировать в режиме: работа/сон. Я получил ценный опыт работы на всех этапах эксперимента: в подготовке, трансфере и юстировке образца, а также непосредственно в измерениях. На каждом этапе были свои тонкости и особенности, касающиеся как метода в целом, так и специфики конкретного прибора, в которые приходилось вникать. На меня произвело впечатление соседство суперсовременных измерительных мощностей, зданий различных государственных и частных лабораторий с окружающей их местами дикой природой. Как-то глубоко за полночь, возвращаясь с BESSY-II по дороге в гостиницу я наблюдал убегающего от меня по середине улицы зайца, а затем по его следам неспешно проследовала лиса. Выражаю благодарность лаборатории МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» за финансовую поддержку, что, в конечном счете, и позволило приобрести опыт работы на синхротронных источниках излучения».

 Кроме того, совместно с коллегами из МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» проводились расчеты спектральных зависимостей коэффициента поглощения в области NEXAFS (англ. near edge X-ray absorption fine structure — околопороговая тонкая структура рентгеновского спектра поглощения ограниченная энергетическим интервалом ±(30–50) эВ относительно энергии порога возбуждения (скачка)) — краев поглощения ряда нанообразующих углеродных материалов и металлов. Стоит отметить, что Сивков Д.В. был привлечен в качестве специалиста для выполнения расчетов на основании полученных ранее научной группой экспериментальных данных оптических постоянных рефракционных линз и данных моделирования влияния аппаратурных искажений на измеряемые величины для рентгенооптических приложений.

Сивков Данил Викторович, к.ф-м.н., научный сотрудник МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок класса Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:

«В ультрамягком рентгеновском диапазоне все вещества характеризуются высокими величинами сечений поглощения (фундаментальные параметры, характеризующие взаимодействие рентгеновского излучения с веществом). Их измерение является необходимым этапом для определения таких оптических постоянных, как коэффициенты преломления и отражения, а также атомные форм-факторы, которые могут быть рассчитаны методом Крамерса-Кронига путем интегрирования по сечениям поглощения рентгеновского излучения в широком спектральном диапазоне». 

Климова Наталия, м.н.с. МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок класса Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:

«Экспериментальные данные по распределению сил осцилляторов в области ближней тонкой структуры рентгеновского спектра поглощения необходимы для определения оптических постоянных (коэффициентов рефракции и отражения) материалов в широком спектральном интервале с использованием соотношений Крамерса — Кронига. Работа с Данилом Сивковым позволила нам продвинуться в направлении исследований оптических эффектов рентгеновской оптики в области резонансного фотопоглощения. Спектральные зависимости оптических постоянных являются важными параметрами для характеризации материалов линз и оценки их перспективности для использования в качестве основного рабочего материала для когерентной рентгеновской оптики, активной разработкой которой занимается наш исследовательский центр».

Поездка Сивкова Д.В. была организована за счет средств субсидии, выделенной на реализацию Программы повышения конкурентоспособности в БФУ им. И. Канта (Проект 5-100). Полученные результаты будут опубликованы в открытой печати и представлены на XXIII Всероссийской конференции (с международным участием) «Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь» (РЭСХС).