Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Была произведена оценка количества возбужденных (изомерных) ядер Th-229, которые можно было бы получить при облучении пучком электронов с энергиями масштаба нескольких десятков килоэлектронвольт мишени ThSi10O22 (данная стехиометрия получена из количественного хим. анализа методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии полученных образцов торий-содержащих мишеней). При таком облучении, в процессе многократного неупругого рассеяния первичного пучка электронов, в мишени рождается большое количество вторичных электронов с энергиями >10 эВ, которые могут взаимодействовать с Th-229, вызывая, в том числе, возбуждение изомерного состояния. Численное моделирование каскадной генерации вторичных электронов было выполнено с помощью программы JMONSEL (Java Monte Carlo Simulation of Secondary Electrons). Данная программа позволяет рассчитать характеристики ансамбля вторичных электронов, исходя из известной функции потерь энергии первичного пучка в рассматриваемой среде. Для нахождения функции характеристических потерь в исследуемом образце было выполнено исследование полученных образцов методом спектроскопии характеристических потерь энергии электронов. Структура наблюдаемых СХПЭЭ-спектров для полученных образцов в области потерь энергий до 30 эВ практически совпадает со структурой спектра характеристических потерь для чистого оксида кремния. Было обнаружено, что функция характеристических потерь энергии электронов в соединении ThSi10O22 определяется, в основном, вкладом от комплекса SiO2, который был использован при численном моделировании. Представлены результаты моделирования для начального ансамбля из 500 электронов с энергией 5, 10, 15, 20, 25 кэВ, характерные значения энергии и глубины проникновения электронов. Получены функции распределения вторичных электронов по энергиям, восстановленные для первичных электронов различных энергий. 2. Для оценки сечений возбуждения изомерных ядер тория-229 при электронном ударе следует рассмотреть процесс неупругого рассеяния быстрых электронов атомами 229Th, при котором происходит переход ядра из основного состояния в изомерное состояние. Разность энергий этих состояний есть delta(E)=Em-Eg (7.8±0.5 эВ). Указанный ядерный переход является магнитодипольным и индуцируется взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем рассеивающегося электрона. Была получена вероятность перехода в единицу времени между начальным и конечным состоянием системы. Был вычислен матричный оператор взаимодействия магнитного момента ядра с магнитным полем рассеивающегося электрона и получено полное сечение неупругого рассеяния. При больших энергиях, когда энергия электрона >> delta(E), получена следующая оценка для сечения возбуждения: 1.3*10^(-33) см^(-2). Для расчета функции выхода, была рассмотрена мишень из силиката тория, на поверхность которой ортогонально падает однородный электронный пучок. Для рассматриваемого процесса при неупругом рассеянии электронов на ядрах Th-229g была записана система кинетических уравнений, учитывающая в самом простом приближении распределение ядер между возбужденным (изомерным) Nis и основным состоянием Ngr. Решение данного уравнения дает зависимость количества изомерных ядер Th-229m при воздействии электронного пучка на торий-содержащие мишени от времени. Получена функция выхода изомерных ядер тория-229 при неупругом рассеянии электронов в мишенях ThSiO4. 3. Локальное осаждение осуществлялось с помощью разработанной оригинальной электрохимической ячейки. Электрохимическая ячейка представляет собой разборный корпус из фторопласта с возможностью установки кремниевой пластины – подложки (катод) размером 1×1 см^2. Слой Th из раствора Th(NO3)4 осаждался на предварительно подготовленной подложке Si(100) с окислом SiO2 толщиной от 0.1 до 0,6 мкм, полученным термическим окислением. При этом, для локального осаждения в более малую область, литографическими методами возможно создать окно в слое SiO2 до чистой поверхности не окисленного кремния с размером 50 – 3000 мкм. Для начала процесса электрохимического осаждения тория на поверхность кремния, рабочий объем электрохимической ячейки заполняется раствором нитрата тория низкой концентрации. Был подобран оптимальный режим осаждения был получен в результате проведения ряда опытов по данному проекту методики с различными растворами, различными концентрациями, временами осаждения. Данная методика позволяет получать толстые пленки оксида тория на поверхности SiO2/Si, подходящие для ИЛО и/или облучения высокоэнергичным электронным пучком. Исследование качественного состава осадка, сформированного внутри области осаждения, осуществлялось с помощью метода рентгеновского эмиссионного анализа. В результате длительного (30 часов) высокотемпературного (1350 ˚С) отжига кварца (SiO2) и торианита (ThO2) был сформирован силикат тория. Анализ показал, что в результате химической реакции формируется соединение силиката тория со следующей стехиометрией ThSi10O22. Таким образом, разработан проект методики локального формирования мишеней силиката тория заданной геометрической формы и стехиометрией с использованием стабильного изотопа торий-232. 4. Система исследования процессов возбуждения и последующего распада изомерного низколежащего состояния в ядрах (^229m)Th основана на растровом электронном микроскопе DSM-960 (Opton, UK). Для этого в микроскопе был проведен ряд модификаций и отработаны методики регистрации вторичных электронов и вторичного рентгеновского излучения после выключения первичного электронного пучка. Электронно-оптическая система микроскопа обеспечивает пучок первичных электронов с энергиями в диапазоне от 500 эВ до 30 кэВ, с максимальным током в пучке на уровне 100 мкА. При выключении первичного пучка все типы индуцированных излучений (вторичные электроны, обратно рассеянные, рентгеновское характеристическое излучение, катодная люминесценция) исчезают на временах межатомной релаксации ~10^(-13) сек. Следовательно, для регистрации частиц, сопутствующих распаду изомерных ядер (^229m)Th на временах >10^(-4) сек., можно использоваться уже существующей системой регистрации, реализованной на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя, совмещенного с последовательно-расположенными кварцевым световодом, быстродействующим сцинтиллятором на основе YAP-монокристалла и системой электронно-оптических линз, позволяющих затягивать конверсионные электроны в регистрационное окно сцинтиллятора. Совместное использование электронно-оптической системы и фотоэлектронного умножителя, делает возможным проводить регистрацию как гамма-квантов, так и конверсионных электронов, образовавшихся в результате распада изомерных ядер. Возбужденное изомерное состояние в (^229m)Th является долгоживущим. Предполагается, что среднее время жизни в диэлектриках с шириной запрещенной зоны большей, чем энергия самого перехода может исчисляться минутами. Поэтому в случае возбуждения изомерного низколежащего состояния в таких диэлектриках с помощью электронного пучка можно ожидать поток вторичных электронов или фотонов после выключения первичного пучка в течение определенного времени. Оценки показывают, что для регистрации такого явления требуется регистрация SE в интервале от 10 до 100000 мс. Для регистрации импульсов излучения в сцинтилляторе микроскопа, вызванных вторичными электронами и фотонами, возникающими в результате релаксации возбужденного ядерного уровня, задействован блок управления электронным спектрометром XSAM-800, изготовленный ранее в МИФИ. Был разработан порядок работы на вышеописанной системе возбуждения и регистрации изомерных ядер (^229m)Th.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Значения сечений возбуждения и функции выхода изомерных ядер тория-229 при реализации процесса обратного электронного мостика в соединения силиката тория. В рамках выполнения проекта были получены выражения для сечения процесса возбуждения посредством обратного электронного мостика через дискретную часть электронного спектра и через непрерывную часть электронного спектра. На основании представленных в отчете выражений сделан вывод о том, что расчет выхода возбужденных ядер тория при реализации процесса ОЭМ в твердом теле затруднен. Как альтернативный метод в работе была предложена схема неупругого рассеяния электронов на ядрах тория-229. Для полученного сечения ~0.5*10^(-29) см2 сделана оценки функции выхода изомерных ядер в мишени на базе силиката тория – 2.5*10^(7) распадов изомерных ядер в секунду. 2. Зонная структура, а также значения плотности электронных состояний, ширины запрещенной зоны и работы выхода для соединения силиката тория. Восстановление электронной структуры и определение взаимного расположения зон в многокомпонентном образце было осуществлено с помощью методов РФЭС и СХПЭЭ. Величина относительного сдвига верхних краев валентных зон для системы ThSiO4/SiO2 была вычислена с помощью РФЭ-спектра для чистого оксида тория. Взаимное расположение остовных уровней подложки оксида кремния и торий-содержащих кластеров было получено из РФЭ-спектров сформированных образцов ThSiO4/SiO2. Положение уровня вакуума относительно края валентной зоны или работа выхода образца была определена по так называемой «отсечке» электронов с нулевой кинетической энергией. Согласно представленным спектрам, величина работы выхода WF (энергия края валентной зоны относительно уровня вакуума) для объемных образцов оксида тория и оксида кремния составляет WF(SiO2)=9.8 эВ и WF(ThO2)=7.3 эВ. Ширина запрещенной зоны была восстановлена с помощью метода СХПЭЭ, реализованного в камере сверхвысоковакуумного спектрометра XSAM-800 и составила для объемных образцов оксида кремния и оксида тория составила 9.0 эВ и 5.5 эВ, соответственно. При этом ширина запрещенной зоны кластеров ThSiO4/SiO2 составила величину 6.5 эВ. Рассчитано взаимное расположение зон подложки SiO2 и сформированных на ее поверхности кластеров ThSiO4/SiO2. Величина относительного сдвига края зоны проводимости (CBO - conduction band offset), составила CBO=2.1 эВ. Был сделан вывод, что использование системы ThSiO4/SiO2 в качестве торий-содержащей среды при регистрации уникального низколежащего ядерного изомерного перехода в изотопе 229Th будет способствовать увеличению времени жизни возбужденного состояния и повышению вероятности его релаксации посредством флуоресценции. 3. Проект методики локального формирования мишеней ThSiO4 заданной геометрической формы и стехиометрией с использованием радиоактивного изотопа торий-229. На данном этапе была использована методика локального формирования торий-содержащих покрытий, которая была опробирована в процессе формирования мишеней на основе Th-232 на первом году выполнения проекта. Локальное осаждение осуществлялось при помощи оригинальной электрохимической ячейки на поверхность Si(100) с окислом SiO2 толщиной от 0.1 до 0,6 мкм, полученным термическим окислением в область диаметром 3 мм. Разность потенциалов между анодом и катодом устанавливалась на уровне 600 В. При осаждении из раствора, содержащего воду, в окне формируется очень неоднородный конгломерат зерен разного размера (этот эффект также проявляется и для нелокального осаждения). Раствор с небольшим содержанием воды приводит к окислению осаждаемого тория в растворе в процессе электролиза с образованием непроводящего оксида. Это препятствует стационарному процессу осаждения, так постоянно происходит локальный пробой вновь образовавшегося оксидного слоя. При осаждении на поверхность кремния полностью покрытого оксида кремния формируется дефектная, но плотная пленка оксида тория с хорошей адгезией. Данная методика позволяет получать толстые пленки оксида тория на поверхности SiO2/Si, подходящие для ИЛО и/или облучения высокоэнергетичным электронным пучком. Получены РЭМ-изображения и энергодисперсионные спектры полученных образцов. 4. Система регистрации и детектирования изомерного перехода в ядрах торий-229 при воздействии электронного пучка на торий-содержащие мишени. На первом этапе проекта была разработана система исследования процессов возбуждения и последующего распада изомерного низколежащего состояния в ядре тория-229. Система основана на модифицированном растровом электронном микроскопе DSM-960 (Opton, UK) . Были отработаны методики регистрации вторичных электронов и вторичного рентгеновского излучения после выключения первичного электронного пучка. Электронно-оптическая система микроскопа обеспечивает пучок первичных электронов с энергиями в диапазоне от 500 эВ - 30 кэВ. Максимального ток пучка на уровне 100мкА был получен в режиме фокусировки пучка с удаленной диафрагмой. Для регистрации частиц, сопутствующих распаду изомерных ядер (^229m)Th на временах >10^(-4) сек., используется уже существующей системой регистрации, реализованной на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя (Hamamatsu R1167) ширина импульса 4 нс, совмещенного с последовательно-расположенными кварцевым световодом, быстродействующим сцинтиллятором на основе YAP-монокристалла (иттрий, алюминий, перовскит, время высвечивания 40 нс) и системой электронно-оптических линз, позволяющих затягивать конверсионные электроны в регистрационное окно сцинтиллятора. Умножение сигнала осуществляется путем подачи на вход сцинтиллятора ускоряющего напряжения 10 кВ, что позволяет ускорить электроны, движущиеся с начальной энергией порядка нескольких эВ, и увеличить число сцинтилляций на два три порядка, а также с помощью двенадцати-динодного фотоэлектронного умножителя, работающего по схеме классического делителя c коэффициентом умножения 10^6. Совместное использование электронно-оптической системы и фотоэлектронного умножителя со световодом и сцинтиллятором, делает возможным проводить регистрацию как гамма-квантов, так и конверсионных электронов, образовавшихся в результате распада изомерных ядер. Счет импульсов, соответствующих попаданию в систему регистрации гамма-квантов или конверсионных электронов, осуществляться через плату счета импульсов и разработанное программное обеспечение. Для регистрации импульсов излучения в сцинтилляторе микроскопа, вызванных вторичными электронами и фотонами, возникающими в результате релаксации возбужденного ядерного уровня, был задействован блок управления электронным спектрометром XSAM-800. 5. Мишени ThSiO4, выполненных с использованием радиоактивного изотопа торий-229. При работе с торием-229 для возбуждения электронным ударом использовались мишени оксида тория, нанесенного в виде пятна круглой формы (диаметр 3 мм) на кремниевую пластину размером 1×1 см2. Общая активность изотопа тория-229 в готовой мишени составила ~100 кБк, что эквивалентно содержанию ~10^16 ядер 229^Th, изотопное соотношение согласно паспортным данным на источник 232^Th/229^Th=13.6. Был проведен масс-спектрометрический анализ изотопного состава материала мишени. Получены альфа-спектры сформированной из данного материала мишени и исследован изотопический состав дочерних продуктов распада, измеренный по данным α-спектрометрии. Был осуществлен каскад каскада промывок раствора тория-229 в азотной кислоте в сорбционных колонках с ионообменными смолами. После промывки данный раствор изотопически чистого тория-229 использовался для подготовки мишеней. Сформированные мишени с торием-229 подвергались высокотемпературному отжигу на атмосфере в течение 30 час. В результате химической реакции формируется соединение силиката тория ThSiO4. Исследование кристаллической структуры полученных после отжига тонких пленок силиката тория проводилось методом рентгеновской дифракции Graizing incidence X-ray diffraction. Из дифракционной картины, видно, что непосредственно после осаждения на поверхности кремния из ацетонового раствора нитрата тория регистрируется только фаза оксида тория типа Thorianite. Дальнейший отжиг данной пленки в течение 30 часов при температуре Т=1350 °C приводит к изменению ее кристаллической фазы и переходу в фазу силиката тория типа Huttonite. На основании результатов, полученных методами РФЭС и GIXRD, можно предположить, что на поверхности в области контакта оксида тория и кремниевой подложки происходит твердотельная химическая реакция, стимулируемая термодиффузией приповерхностных несвязанных атомов кислорода в область контакта ThO2/Si(001). 6. Результаты экспериментов по возбуждению аномального низколежащего изомерного перехода в ядрах тория-229 при электронном ударе. Так как прямую регистрацию распада низколежащего изомерного состояния в ядрах тория-229 электронным пучком осуществить сложно, было предложено провести регистрацию следующего возбужденного уровня с энергией 29.1927 keV. Из анализа данных следует, что распад возбужденных ядер тория-229 будет идти либо по каналу электронной конверсии преимущественной с эмиссией электронов с L1 оболочки, либо по каналу эмиссии гамма-квантов. Для увеличения чувствительности системы регистрации рентгеновского излучения в области 29.2 кэВ были предприняты усилия для модернизации системы регистрации рентгеновского излучения с помощью набора рентгеновских фильтров. После установки фильтров чувствительность измерения линий в области энергий больше 20 кэВ стала почти на 6 порядков выше. Получены результаты установочных экспериментов по накоплению спектра в режиме повышенной чувствительности. К сожалению, линию с энергией в области 29.2 кэВ зарегистрировать не удалось, что, по-видимому, требует большего времени накопления и запуска эксперимента с накоплением на несколько месяцев. 7. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов работы. В рамках работы рассматривается электрохимический метод получения ториевых покрытий на поверхности SiO2/Si. Экспериментально продемонстрировано, что на начальных стадиях осаждения из ацетонового раствора нитрата тория в тонком слое оксида кремния формируются латеральные дефекты. Показано, что формирование и рост субмонослойных ториевых покрытий на поверхности тонкопленочного оксида кремния на поздних стадиях осаждения осуществляется через образование трехкомпонентного сплава типа ThSiO4. Методами РФЭС и СХПЭЭ исследованы элементный состав, химическое окружение и электронные свойства сформированной системы. Было показано, что ширина запрещенной зоны не зависит от длительности воздействия электронным пучком на мишень, что позволяет надеяться на регистрацию распада изомерных ядер в тории-229 по каналу эмиссии гамма-квантов. На основании расчетов было показано, что ширина запрещенной зоны соединений силиката тория с концентрациями менее 10 % позволяет получать ширину запрещенной зоны вплоть до 9 эВ. Зависимость ширины запрещенной зоны от коэффициента заполнения Th / Si, рассчитанная по теории эффективной массы, установлена экспериментально. Полученные значения хорошо согласуются как с теоретическими оценками, так и с экспериментальными данными.