Выпуск 6, 2019

А. В. Белоусов$^1$, С. М. Варзарь$^1$, М. В. Желтоножская$^1$, Е. Н. Лыкова$^{1,2}$, А. П. Черняев$^{1,2}$

В данной работе представлен обзор выполненных к настоящему времени экспериментов и расчетов по исследованию доз от вторичных нейтронов при работе медицинских ускорителей электронов различных производителей. Приводятся принципиальные отличия головок трех крупнейших производителей Varian, Elekta и Siemens. В статье приводятся данные о плотности потоков и дозах для разных моделей ускорителей и режимов работы. Анализ данных показал, что дозу от вторичных нейтронов, при проведении облучения пациентов на линейном медицинском ускорителе тормозным излучением необходимо учитывать, так как ее вклад может достигать 2,04% при максимальной энергии до 24 МэВ. При планировании лучевой терапии необходимо проводить оценку вклада в поглощенную дозу потоков вторичных нейтронов и при прочих равных условиях выбирать режимы работы с наименьшей номинальной энергией для лечения пациентов.

Simulation of Random Coincidences in Whole Body 3D Total PET with GATE_v8.0

A. Bardane, J. Tajmouati, A. Maghnouj, A. Dadouch, A. Didi, A. Mribah, A. El Hajami

Positron emission tomography (PET) is an important functional imaging technique of nuclear medicine used to determine metabolic processes in the body in order to locate and define the tumor . The most common correction method Coincidences is the real-time subtraction of a delayed coincidence channel, which does not add bias, but increases noise. These compromises depend on the injected activity, the local imaging environment and the reconstruction algorithm. Using full 3D simulations and ghost studies, we investigate how equivalent noise count rate gains from using a random noise coincidence estimation method result in an improved signal-to-noise ratio. The image SNR, however depends on the image reconstruction method. We validate that For fully 3D whole-body imaging simulated with GATE (tumor application by Geant4), a low-noise estimate of random coincidences improves SNR for sinograms and images by approximately 17%.

В. А. Белошапко$^1$, Е. А. Генералов$^2$, Л. В. Яковенко$^2$

В работе предложена математическая модель, описывающая передачу активационных сигналов в клетке, возникающих при взаимодействии рецепторов TLR4 и TNFR2 с лигандами. Изложены теоретические предпосылки к построению модели, приведены основные результаты моделирования. В модели учтены возможность самоактивации клетки при полимеризации рецепторов, влияние ингибиторов активации, пересечение сигнальных каскадов, которое может приводить к истощению субстратов передаточных белков и сайтов связывания на ДНК. Вероятность активационного события имеет локальный максимум на конечном слое графа реакции. Активация клетки описывается с помощью системы нелинейных сингулярно возмущенных дифференциальных уравнений, реализуется приближенное решение. Нахождение плотностей вероятности активации клетки позволяет в рамках модели определить распределение эффективности ингибиторов активации по слоям графов реакций.

Investigation on Concrete Neutron Shielding Properties filled by B4C, CdO and BN microparticles

M. Alipour, M. Kheradmand Saadi, a. rohani

In this study, compounds; which are highly absorbent for neutrons due to their high absorption cross-section, are used in different volume proportions within cubic geometry for concrete as the primary shielding substrate. For this purpose, these compounds were investigated using Monte-Carlo simulation method using the MCNP code. For achieving different volume percentages, the radius of the absorbent balls must vary from 200 µm(1%) to 750 µm (52%). The designed sample was exposure to an Am-Be neutron source with 5 Ci intensity. 37.5% of total activity of this source is Gamma emission. The goal of designing the geometry in this form is increasing the probability of interactions of fast and energetic neutrons which are moving along diffusion path inside the shield to decrease the speed and energy of these neutrons by inelastic scattering. The compounds have been investigated CdO, B4C, and BN; which are filled in serpentine concrete. According to the simulation results, based on the efficiency of various compounds and smooth production of these compounds and also the necessary costs for their production and acceptable descending process of equivalent dose, Boron Carbide and Boron Nitride compound exhibited satisfactory performance in reducing equivalent doses. So using these compounds as absorbent balls seems to be a reasonable choice.

Coherent $\pi^0$-photoproduction on the deuteron near threshold and the role of $D$-wave component of the deuteron wave function

E. M. Darwish, M. Saleh Yousef$^2$

Near-threshold coherent photoproduction of $\pi^0$-meson on the deuteron is investigated. Numerical results for the unpolarized differential and total cross sections, the linear photon $\Sigma$-asymmetry, the vector $T_{11}$ and tensor $T_{2M}$ ($M$=0,1,2) deuteron spin asymmetries, and the spin asymmetry $\tilde{T}_{20}$ of the total cross section are presented. The role of $D$-wave component of the deuteron wave function on these physical observables is studied. The calculations are based on the impulse approximation in which we use the realistic and high-precision Bonn $NN$ potential (full model) for the deuteron wave function and the unitary isobar MAID-2007 model for the elementary $\gamma N\to\pi N$ amplitude that describes well the threshold region. We have found that the $D$-wave component has a negligible effect on the unpolarized cross sections and the vector deuteron $T_{11}$-asymmetry at photon lab-energies close to threshold. On the contrary, we have obtained a significant role of the $D$-wave part of the deuteron wave function on the $\Sigma$, $T_{2M}$, and $\tilde{T}_{20}$ spin asymmetries. The results for the unpolarized differential cross section are compared to the experimental data from TAPS and a satisfactory agreement within the uncertainties has been obtained at forward pion angles. At backward pion angles, our results underestimate the experimental data and a disagreement has been found.

Deterministic analysis of the Low Enriched Uranium SLOWPOKE-2 research reactor using DRAGON-5 and DONJON-5 codes system

O. Jai

This paper discusses the capability of the deterministic code system DRAGON-5 and DONJON-5 to reliably simulate the SLOWPOKE-2 research reactor. The characteristics of complex geometry, highly heterogeneity and large leakage of the SLOWPOKE-2 core, poses a challenge for classical neutronics calculation tools and schemes for power reactors. The simulation model is presented (geometry, cross section library, assumption, etc.), and the results obtained by DRAGON-5/DONJON-5 codes and the evaluated nuclear data from WLUP project were compared to the calculations performed with Monte Carlo code MCNP 4A using a detailed geometrical model of the reactor and the experimental data. Criticality calculations have been performed to verify and validate the model based on the multiplication factor comparisons for 4 energy groups with two dierent leakage models. The results indicate that the DRAGON-5 and DONJON-5 codes system agrees well with the MCNP 4A continuous-energy Monte Carlo simulation and experiment. Since created model properly describes the reactor core it can be used for calculations of reactor core parameters and for optimization of research reactor application.

Neutronic study of fuel depletion for the MNSR research reactor using DRAGON5 code

J. M. Al Zain, O. El Hajjaji, T. EL BARDOUNI

The aim of this work is to study the fuel depletion of 30 kW MNSR research reactor. Under operating conditions of two hours per day for five days a week at a peak thermal neutron flux of 1.0x1012n/cm2.s, the estimated core life is 10 years (200 days).The DRAGON5 code is utilizing to generate the fuel group constants and the infinite multiplication factor (k_∞) versus the MNSR reactor operating time, at different burnup values. The amounts of uranium burnt up and plutonium produced in the reactor core are calculated using the DRAGON5 transport lattice code. The results are in good agreement with previous studies.

А. Л. Нечаева, М. А. Давыдова

Рассматривается периодическая задача для нелинейного уравнения диффузии с переносом, возникающая при математическом моделировании вертикального переноса антропогенной примеси в нижних слоях тропосферы. Модельная задача в безразмерных переменных классифицируется как нелинейная сингулярно возмущенная задача типа реакция-диффузия-адвекция, к исследованию которой применяются методы асимптотического анализа. С использованием метода пограничных функций и асимптотического метода дифференциальных неравенств, основанного на принципе сравнения, выполняется построение асимптотического решения задачи произвольного порядка точности с последующим обоснованием построений и исследованием решения на наличие свойства асимптотической устойчивости по Ляпунову. Результаты работы иллюстрированы примером, описывающим поле концентраций линейного стока вещества.

А. Я. Брагинский

В работе исследуются уравнения состояния для компенсирующего поля взаимодействия - тензора дисторсии, полученные из трансляционной инвариантности лагранжиана. В данной модели волновой вектор или квантовый импульс частицы является зарядом взаимодействия для компенсирующего тензора дисторсии. В статье рассмотрен случай, когда квантовые импульсы частиц лежат на одной прямой. Показано, что противоположные квантовые импульсы притягиваются также как разноименные электрические заряды. Это объясняет притяжение электронов с противоположно-направленными квантовыми импульсами в куперовских парах в сверхпроводящем состоянии.

Ю. А. Еремин$^1$, И. В. Лопушенко$^2$

В настоящей работе рассматривается математическая задача дифракции электромагнитных волн на плазмонном димере, составными частями которого являются наночастицы из благородных металлов с размерами, не превышающими десятка нанометров. Для построения математических моделей используется эффективный метод дискретных источников, позволяющий учитывать все особенности таких систем, включая форму частиц, и возникающие в них эффекты пространственной дисперсии, также известные, как эффекты нелокальности. Показано, что решение задачи в случае не зависящих от азимутальной гармоники внешних полей можно аппроксимировать с помощью системы вертикальных диполей на оси частицы. На основе гибридной схемы метода дискретных источников впервые решена задача возбуждения димера полем равномерно и прямолинейно движущегося точечного заряда в однородном пространстве.

А. А. Быков

Сформулирована и обоснована математическая модель прямоугольного волновода с импедансным граничным условием, основанная на применении граничного метода Галеркина. Предполагается, что поверхностный импеданс не является константой, а задан в виде функции от координат на поверхности. Решение представляется в виде линейной комбинации координатных функций, каждая из которых точно удовлетворяет уравнениям Максвелла внутри цилиндрической области, а на границе набор координатных функций образует полную систему. Коэффициенты находятся из условия ортогональности поверхностной невязки системе проекционных функций, которые при использовании метода Галеркина совпадают с системой координатных функций. Для расчета направляемых волн прямоугольного волновода с импедансной границей предложен и обоснован метод гомотопии. Построено также разложение решения в ряд по степеням малого параметра.

И. К. Гайнуллин

В статье представлены результаты теоретическо-расчетного исследования электронного обмена ионов с металлическими нанокластерами. Для экспериментального исследования электронной структуры и поверхностной реактивной способности металлических нанокластеров активно используются сканирующая туннельная микроскопия и электронный обмен при рассеянии медленных ионов. Из-за сложности постановки прямых экспериментов, компьютерное моделирование является важным инструментом для изучения наноструктур. Результаты расчета собственных значений волновой функции электрона хорошо описывают пространственное распределение электронной плотности на поверхности нанокластера, полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопии. В силу малых размеров нанокластера, энергия электронов внутри него квантуется, а пространственное распределение электронной плотности имеет дискретный характер. Квантование энергии электрона (дискретная электронная структура) существенным образом влияет на резонансные электронные процессы, включая электронный обмен ионов с нанокластерами и туннелирование электронов в сканирующей туннельной микроскопии. На примере модельной задачи туннелирования электрона с отрицательного иона на нанокластер, было показано, что дискретная электронная структура проявляется в виде квантово-размерного эффекта электронного обмена и немонотонной зависимости дифференциальной проводимости от напряжения смещения. Также дано количественное объяснение экспериментально-зарегистрированного эффекта сильного (на порядок) увеличения вероятности нейтрализации ионов щелочных металлов на металлических нанокластерах, по сравнению со случаем массивных образцов.

В. Е. Родякин$^1$, В. М. Пикунов$^1$, В. Н. Аксёнов$^2$

Исследуются условия обеспечения равновесного стационарного состояния кольцевого электронного потока большой плотности, транспортируемого в цилиндрических пролетных каналах и фокусируемого однородным магнитным полем. Приводятся результаты численных расчетов предельного тока, ограничение величины которого обусловлено продольным торможением электронов силами пространственного заряда в условиях равновесной поперечной магнитной фокусировки при транспортировке пучков различной конфигурации в устройствах клистронного типа. Даются оценки ограничения рабочей длины устройства, связанной с возбуждением диокотронной неустойчивости. Проводится сравнение результатов расчета с данными, полученными с использованием квазитрехмерной программы «Арсенал-МГУ» и приближенными аналитическими формулами других авторов.

А. А. Шемухин$^{1,2,4}$, А. П. Евсеев$^{1,2}$, А. В. Кожемяко$^2$, Б. .. Мерзук$^2$, В. И. Егоркин$^5$, Ю. С. Федотов$^3$, А. В. Данилов$^3$, В. С. Черныш$^{1,2}$

Проведено облучение 4H-SiC ионами Al+ при энергии 190 кэВ. Профили концентра- ции имплантированного алюминия по глубине получены с помощью метода вторич- ной ионной масс-спектрометрии, проведено сравнение с профилями, рассчитанными в программе SRIM. При помощи резерфордовского обратного рассеяния в сочетании с каналированием исследована аморфизация структуры кристалла при имплантации в мишень при комнатной температуре и 400◦С. Показано, что флюенс 1015 см−2 полно- стью разупорядовачивает структуру кристалла при облучении мишени комнатной тем- пературы. Обнаружено, что при облучении нагретой до 400◦С мишени глубина проник- новения внедренной примеси возрастает. Повышение температуры мишени в процессе облучения приводит к рекомбинации значительного количества простейших дефектов и восстановлению структуры кристалла. Проведено сравнение топографии образцов до и после ионного облучения.

А. М. Зотов$^1$, П. В. Короленко$^{1,2}$, А. Ю. Мишин$^1$, Ю. В. Рыжикова$^1$

Рассмотрен раздел нейроэстетики, в рамках которого на основе физических и когнитивных представлений дано объяснение феномена красоты фракталов. Приведены аргументы в пользу концепции селекции пространственных частот изображения фрактала в коре головного мозга. Особое внимание уделено проблеме устойчивости соотношений скейлинговых характеристик фрактального объекта и его фурье-образа. Обнаруженная стабильность скейлинга фурье-образов указывает на возможность осуществления ускоренной обработки оптических сигналов в специализированных участках мозга. Быстрая фурье-обработка зрительных сигналов создает ощущение комфорта и вызывает при созерцании фрактального объекта чувство красоты. Полученные результаты позволяют обосновать с физической точки зрения эффективность использования в медицине визуальной арттерапии, а также дать физическую интерпретацию некоторым положениям современной эстетики.

В. Н. Аксёнов$^1$, А. А. Ангелуц$^1$, П. М. Солянкин$^2$, А. П. Шкуринов$^1$, И. А. Ожередов$^1$, А. В. Балакин$^1$, С. В. Иванов$^2$

Описан многочастотный источник терегерцового излучения на основе квантово-каскадных лазеров. Обсуждаются перспективы его применения для исследования атмосферных явлений, создания лидаров и аппаратуры дистанционного зондирования. С помощью описанного терагерцового источника исследовано влияние ослабления излучения в трех частотных диапазонах при его распространении в атмосфере. Получены оценки влияния ширины спектральной линии источника лазерного излучения на измеренный коэффициент затухания терагерцового излучения в атмосфере.

А. Ю. Сосорев

Электронно-колебательное взаимодействие играет ключевую роль в ограничении подвижности зарядов в органических полупроводниках. В настоящей работе теоретически исследовано электронно-колебательное взаимодействие в молекуле 5,5’-дифенил-2,2’-битиофена (PTTP) из класса тиофен-фениленовых со-олигомеров, представляющих большой интерес для органической оптоэлектроники благодаря своим электронно-транспортным и люминесцентным свойствам, и сопоставлено с электрон-фононным взаимодействием в модельном органическом полупроводнике – антрацене. Выявлены вклады различных колебаний в энергию реорганизации молекул PTTP и антрацена, и показано, что эти вклады коррелируют с интенсивностями соответствующих полос в спектре комбинационного рассеяния света. В частности, установлено, что для молекулы PTTP в обоих спектрах наибольшую интенсивность имеет т. н. Я-мода с частотой ~1460 см-1 – коллективное колебание атомов всех звеньев олигомера. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования спектроскопии комбинационного рассеяния для исследования электронно-колебательного взаимодействия в органических полупроводниках. В заключение, оценены и сопоставлены подвижности дырок в PTTP и антрацене в рамках прыжковой модели, и проанализированы причины их различия. Полученные результаты позволили предложить способы уменьшения электронно-колебательного взаимодействия в молекулах тиофен-фениленовых со-олигомеров, что имеет важное значение для направленного молекулярного дизайна органических полупроводников.

С. В. Белим, И. Б. Ларионов

В статье проведено исследование влияния внешнего магнитного поля на температуру фазовых переходов в антиферромагнитных тонких пленках. Использован метод компьютерного моделирования для антиферромагнитной модели Изинга, имеющей геометрию тонкой пленки. Исследованы пленки с толщиной от 4 до 16 слоев. Показано, что температура антиферромагнитного фазового перехода убывает с ростом напряженности внешнего магнитного поля по квадратичному закону. Скорость убывания температуры зависит от толщины пленки и отношения обменных интегралов на поверхности и в основном объеме системы. Для каждой системы существует предельное значение напряженности магнитного поля, выше которого антиферромагнитный фазовый переход не происходит. Зависимость предельного значения напряженности магнитного поля от отношения обменных интегралов также носит квадратичный характер.

А. Г. Хунджуа$^1$, Е. А. Бровкина$^1$, А. Г. Птицын$^1$, М. М. Мельников$^1$, Б. А. Володин$^2$

Предложен алгоритм анализа возможности образования самоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллов в сплавах с эффектами памяти формы с учетом двойникования и минимизации усредненной по соответствующей совокупности доменов деформации. Показано, что полная самоаккомодация возможна лишь в комплексах, содержащих одновременно все варианты ориентационного соотношения. Проведенный расчет для случая ромбоэдрического мартенсита (4 возможных варианта ориентационного соотношения) показал, что средняя деформация формы по четырем доменам отсутствует. Образуемый при этом четырехдоменный комплекс включает в себя все возможные варианты ориентационного соотношения и поэтому является самоаккомодационным. Данные комплексы неоднократно наблюдались в сплавах никелида титана. Анализ моноклинного 18R-мартенсита показывает, что полная самоаккомодация может достигаться только в комплексе из 12 различных доменов. Наблюдаемые экспериментально четырехдоменные комплексы в сплавах Cu-Al-Ni и Cu-Al-Mn могут быть объяснены частичной самоаккомодацией, учитывающей выход кристалла мартенсита на внешнюю поверхность кристалла.

А. П. Орешко

Аналитически решена задача прохождения и отражения рентгеновского излучения (0.1 Å < λ < 10 Å) от бесконечной аморфной однородной диэлектрической клиновидной пластины. Полученное решение является “нулевым” шагом в решении задачи дифракции рентгеновского излучения на полубесконечном аморфном однородном диэлектрическом клине в рамках эвристической геометрической теории дифракции.

М. П. Щербина$^1$, В. В. Бусарев$^3$, С. И. Барабанов$^2$

Нами проведены наблюдения, расчет и анализ спектров отражения в диапазоне 0.35-0.9 мкм 5 астероидов, сближающихся с Землёй, и марс-кроссеров, а также 5 астероидов Главного пояса. Наблюдения астероидов были выполнены в 2013-2017 гг. на 2-м телескопе с ПЗС-спектрографом Терскольской обсерватории ИНАСАН с целью оценки их таксономических типов и состава вещества. Полученные результаты показывают, что несколько изученных сближающихся с Землёй астероидов имеют неоднородный состав вещества , судя по вариациям их спектров отражения в пределах соседних таксономических классов. Интересно, что некоторые из этих астероидов являются двойными. Представлена физическая и химико-минералогическая интерпретация спектров отражения,

С. В. Колесов$^2$, М. А. Носов$^1$

С 25 января 2018 функционирует автоматическая система оценки цунамиопасности землетрясения «Tsunami Observer». В статье анализируются результаты работы системы за истекший полуторагодичный период, проводится сравнение оценок, формируемых системой, с данными натурных наблюдений. Обсуждается проблема оперативности появления информации о сейсмическом источнике, которая необходима для оценки цунамиопасности, приводится общая статистика по работе системы.

А. А. Будников$^1$, Т. В. Малахова$^2$, И. Н. Иванова$^1$, Е. В. Линченко

В работе предложен и апробирован пассивный акустический метод оценки потока подводных пузырьковых газовыделений для мелководных районов. Метод основан на связи частоты аудиосигнала, производимого пузырьком газа при отрыве от выходного подводного канала, с размером пузырька. В проведенных лабораторных экспериментах при генерации в толще жидкости пузырьков размером от 2 до 15 мм были зафиксированы частоты аудиосигналов, лежащие в диапазоне от 2.7 до 0.4 кГц. При анализе акустических записей, выполненных вблизи действующих мелководных сипов в бухте Ласпи, идентифицирована серия коротких аудиосигналов, производимых выделяющимися пузырьками метана, длительностью 0.5-2 с, сгруппированных в пакеты, содержащие порядка десяти импульсов. Для двух исследованных сипов в частотном спектре проведенных записей зафиксированы частотные пики, с максимумами, приходящимися на 1 и 1.4 кГц. Согласно теоретической оценке диаметров пузырьков, генерирующих подобный сигнал, составляет 7 мм и 5 мм, соответственно. С учетом интенсивности пузырьковой разгрузки, рассчитанный поток газа составил 40 и 6 л/сут, соответственно.

В. И. Максимочкин, Р. А. Грачев

С целью оптимизации условий проведения нагревов в методе Телье и повышения надежности определения палеонапряженности геомагнитного поля исследована термостабильность титаномагнетита и титаномаггемита, полученного при лабораторных нагревах. Эксперименты проведены на базальтах П72/2 и П72/4 рифтовой зоны Красного моря, содержащих титаномагнетит с концентрацией магнетитового минала, равной (44.73.9)% и (465)%, соответственно. Показано, что отжиг в течение 10 часов при температурах 290 – 410 °С на воздухе в титаномагнетите преобладает процесс однофазного окисления. При температурах выше 460°С и тех-же временах отжига однофазное окисление сменяется окислительным распадом. Температурный диапазон термостабильности однофазно-окисленного титаномагнетита растет с ростом степени окисления. При степени окисления, близкого к 0.9, титаномаггемит стабилен вплоть до температур 410 - 460°С. Использование методики Телье для исследования свойств химической остаточной намагниченности однофазно-окисленного титаномагнетита со степенью окисления выше z0.6 ограничивается, примерно, 20% ее величины. Стабилизировать однофазно-окисленное состояние титаномагнетита при температурах выше 460°С и тем самым повысить качество исследования CRM методом Телье, можно путем подбора величины парциального давления кислорода. Ключевые слова. Титаномагнетит, титаномаггемит, химическая намагниченность, термостабильность, однофазное окисление, метод Телье.

ERRATUM: Улучшенная генерация высших гармоник и подавление низших гармоник в рентгеновском ЛСЭ с двухчастотным ондулятором

К. В. Жуковский

Исправлены опечатки в статье Moscow University Physics Bulletin, 2018, Vol. 73, No. 5, pp. 462–469