Конференции

Нейтроны - инструмент исследования структуры Земли

Международная конференция "Исследования внутренних напряжений и текстуры с помощью дифракции нейтронов" (STI-2011), организованная совместно с Геофизическим исследовательским центром в Потсдаме (GFZ) и Институтом технологии в Карлсруэ (Германия), проходила в Лаборатории нейтронной физики имени И.М.Франка с 6 по 10 июня. Эта конференция продолжила проводимые в ЛНФ с 1995 года тематические совещания, связанные с применением метода дифракции нейтронов для анализа микроструктуры кристаллических веществ с акцентом на определение текстуры и внутренних напряжений в минералах горных пород и промышленных изделиях. Конференция была приурочена к началу работы реконструированного реактора ИБР-2М, физический пуск которого был успешно проведен в декабре прошлого года. Основной целью конференции стала координация работ на действующих на ИБР-2М специализированных дифрактометрах "Эпсилон", СКАТ и ФСД, предназначенных для измерения дифракционных спектров от объемных геологических и конструкционных материалов.

Источники разные, результаты - одинаковые

Участников конференции приветствовал председатель программного комитета конференции У.Стефанссон (GFZ, Потсдам, Германия) (на снимке). Председатель оргкомитета STI-2011 А.М.Балагуров (ЛНФ) познакомил участников с историей проведения предыдущих конференций по этой тематике в ЛНФ. О технических характеристиках реактора ИБР-2М до и после модернизации, графике пусковых работ на модернизированном реакторе рассказал директор ЛНФ А.В.Белушкин.

Научную часть конференции открыл доклад профессора Калифорнийского университета (Беркли, США) Р.Венка, который дал интервью для нашей газеты:

- Когда я оказался здесь впервые 20 лет назад, в ЛНФ функционировал текстурный дифрактометр НСВР, а дифрактометр СКАТ находился в стадии проектирования. В своем докладе я рассказал об аналогичной установке HIPPO, действующей с 2000 года на импульсном источнике нейтронов в Лос-Аламосе. На HIPPO решаются в основном задачи инженерного материаловедения, и только 20 процентов проводимых экспериментов связаны с геофизикой и геологией. В Дубне, наоборот, на специализированных дифрактометрах СКАТ и "Эпсилон" основная тематика связана именно с науками о Земле. Кроме того, HIPPO не конкурирует с вашими дифрактометрами еще и потому, что работает на эксперимент только 40 дней в году и может выполнить лишь половину поданных заявок.

В Лос-Аламосе источник нейтронов основан на использовании протонного ускорителя с мишенью. Благодаря короткой пролетной базе пучок нейтронов у нас в 10 раз интенсивнее, и это большой плюс, потому что на измерение текстуры образца уходит меньше времени. А результаты на одинаковых образцах, измеренных в Лос-Аламосе и в Дубне практически одинаковые. В целом мы придерживаемся несколько другой "философии" текстурного эксперимента, а именно с самого начала функционирования HIPPO для обработки дифракционных данных использовался метод Ритвельда, в котором ведется анализ всего спектра, а не интенсивностей отдельных дифракционных пиков, как это делается в ЛНФ. В результате на HIPPO можно получить больше информации для анализа структуры и текстуры поликристаллических минералов.

В своем докладе на конференции я показал обработку данных в реальном времени с использованием программы, которую мы писали и проверяли 15 лет. Хотелось бы, чтобы ею пользовались и в Дубне. Вообще, она доступна для всех желающих через Интернет. Главное, чтобы небольшие группы исследователей, занимающихся текстурным анализом, поддерживали связи друг с другом, обменивались последними разработками, информировали о прогрессе в исследованиях. На этой конференции я встретил новых для себя молодых людей, работающих над незнакомыми мне задачами в науках о Земле и физическом материаловедении. Было важно обменяться соображениями, новыми мыслями, планами будущих экспериментов.

Выражаю организаторам конференции благодарность за гостеприимство и прекрасную организацию. Хочется, чтобы эти встречи проводились и дальше, причем не в традиционном формате конференций, а ближе к рабочим совещаниям, с демонстрацией программных продуктов.

Уникальные установки для уникальных исследований

К.Шеффцюк (ЛНФ - Германия) и Ф.Шиллинг.

Профессор Ф.Шиллинг (Институт технологии, Карлсруэ, Германия): Если ученые хотят понять природу сейсмотектонических процессов, происходящих в Земле, механизмы землетрясений, вулканических извержений и горообразования, необходимо изучить свойства и поведение горной породы при высоких значениях температур и давлений. Горные породы, сложные по составу, требуют специфических методов исследований. В ОИЯИ есть уникальные установки для исследований поведения деформаций в горных породах. Уникальный дифрактометр "Эпсилон" на 7-м пучке ИБР-2М имеет хорошее разрешение и большой диапазон по длинам волн нейтронов, позволяющие исследовать процессы минералообразования и текстурных трансформаций.

Эта конференция продемонстрировала интерес геологического сообщества к специализированным нейтронным дифрактометрам, так как исследования на них имеют большое значение для прогресса в науках о Земле. Мы обсудили ряд вопросов по дальнейшему использованию спектрометра "Эпсилон" - в конференции участвовало много потенциальных пользователей, интересующихся этим инструментом. Наше министерство BMBF в течение многих лет оказывает финансовую поддержку работам на нем, не сократившуюся и в период реконструкции реактора.

Такие конференции, как эта, кроме высокого научного уровня докладов, демонстрируют еще и международную кооперацию, представляют "вживую" наше научное сообщество, обычно распределенное по всему миру, - а здесь есть представители не только Европы, но и Азии и Америки. Прогнозировать землетрясения сложно, но для понимания происходящих в Земле процессов мы должны собирать уникальные, детализированные данные, чем и занимается часть нашего научного сообщества. Мы ожидаем, что в будущем этими дифрактометрами заинтересуются также ученые, работающие в области физического материаловедения.

Профессор Х.Керн (Институт наук о Земле Университета Киля, Германия): Для меня как ученого, работающего в области петрофизики, в частности в изучении сейсмических свойств горных пород, измерения кристаллографических текстур породообразующих минералов представляют самый живой интерес, поскольку большинство горных пород, образующих земную кору и мантию, являются анизотропными по своим свойствам из-за преимущественной кристаллографической ориентировки (текстуры) минералов. Времяпролетный текстурный дифрактометр, функционирующий на импульсном реакторе ИБР-2М в Дубне, дает уникальную возможность проводить текстурные измерения на крупнозернистых поликристаллических геоматериалах больших объемов, благодаря большой глубине (сантиметры) проникновения нейтронов в вещество. Мне посчастливилось осуществить такие измерения в недавнем прошлом в успешной коллаборации с моими российскими коллегами профессором А.Никитиным и доктором Т.Иванкиной.

На большой серии образцов горных пород из Кольской сверхглубокой скважины (Россия) и из научной скважины Оутокумпу (Финляндия) мы провели текстурные измерения с помощью дифрактометра СКАТ. Они легли в основу последующих расчетов пространственных распределений скоростей продольных и поперечных упругих волн. Расчеты скоростей по данным о текстуре были необходимы для понимания природы сейсмической анизотропии, измеренной в нашей лаборатории, и для интерпретации полевых сейсмических данных. Я полагаю, что это успешное сотрудничество и мотивировало организаторов пригласить меня для участия в конференции STI-2011 с докладом.

Конференция в Дубне стала идеальной площадкой для встречи ученых, представляющих науки о Земле и материаловедение, позволила обсудить последние достижения в использовании нейтронной дифракции, а также методические аспекты измерения текстуры и внутренних напряжений. Около 25 устных докладов и 15 постеров представили важнейшие результаты, основанные на измерениях текстур и внутренних напряжений, выполненных в основном в Дубне. Вопросы усовершенствования обработки данных также обсуждались.

Я убежден, что реконструированный реактор ИБР-2М и модернизированные дифрактометры "Эпсилон" и СКАТ для измерения внутренних напряжений и текстуры привлекут внимание многих ученых из европейского сообщества наук о Земле к созданию совместных долговременных международных проектов с Дубной. Результаты пространственного распределения скоростей упругих волн, полученные на основе текстурных измерений горных пород земной коры и мантии, в частности, позволят интерпретировать сейсмические данные не доступных для прямых наблюдений глубин земной коры и верхней мантии с учетом структуры и состава горных пород.

Мне было очень приятно участвовать в захватывающей и вдохновляющей конференции, хорошо организованной локальным оргкомитетом. Большое спасибо за гостеприимство и незабываемое пребывание в Дубне!

"С нетерпением ждем, когда реактор заработает"

Профессор Я.Берман (Институт морских исследований, Киль, Германия): На этой конференции обсуждались вопросы двух типов: научные, касающиеся в основном экспериментальной процедуры измерения кристаллографической текстуры и внутренних напряжений в горных породах, и организационные, связанные с финансированием проектов развития существующих на ИБР-2 спектрометров и касающиеся по большому счету взаимодействия с Министерством науки и образования Германии (BMBF). BMBF оказывает значительную финансовую поддержку комплексу дифрактометров СКАТ и "Эпсилон".

На дифрактометре СКАТ, за который отвечает наш университет, планируется серьезная и обширная научная программа. Мы использовали время остановки реактора для большой модернизации этой установки, улучшению уровня ее разрешающей способности, расширению диапазона измеряемых межплоскостных расстояний. Пока ИБР-2 находился на реконструкции, его пользователи перешли на установки в других научных центрах, где проводили ограниченный круг измерений. Сегодня мы собрались еще и для того, чтобы обсудить новые исследовательские проекты, которые представят наши постоянные пользователи СКАТ, и привлечь новых исследователей.

Профессор В.Рудаев и доктор Т.Локаичек (Геологический институт АН Чешской Республики, Прага): Наша лаборатория физических свойств горных пород уже 20 лет сотрудничает с группой профессора А.Н.Никитина в ЛНФ. Перед нами стоят общие задачи по изучению текстуры и анизотропии горных пород. Но мы применяем ультразвуковые методы исследования, в нашей лаборатории есть своя уникальная установка. Коллеги из ЛНФ также при необходимости используют ее возможности. Интересно сравнивать результаты, полученные на одинаковых геологических образцах, применяя комплексно методы нейтронной дифракции и физической акустики. Это во много раз повышает эффективность исследований, позволяет получать взаимодополняющие данные.

Мы с нетерпением ждем, когда ваш реактор заработает на эксперимент. Нейтронный источник в Дубне - самый лучший для исследований геологических материалов. В Праге мы уже создали принципиально новые модели анизотропных сред и исследовали упругие свойства серии таких образцов, а теперь необходима проверка результатов на дифрактометрах реактора ИБР-2М. Конференция - это всегда полезное общение, интересные доклады, в том числе и молодых исследователей из Дубны - Романа Васина, Гизо Бокучавы, Тимура Тропина, и, конечно, известных всему миру профессоров Р.Венка, Х.Керна, З.Маттиса. А оргкомитету конференции выражаем благодарность за высокий профессионализм, внимание к деталям, тактичность и доброжелательность.

Моделировать землетрясения в лаборатории

Профессор А.Н.Никитин (ЛНФ): Подводя итоги конференции, я бы хотел отметить две особенности деятельности сотрудников ЛНФ, работающих по обсуждавшейся тематике. Во-первых, в рамках сформулированной в лаборатории научной программы получены убедительные результаты, которые демонстрируют необходимость применения методов нейтронной физики в науках о Земле, в частности для решения задач сейсмологии. Участившиеся в последние годы сейсмические события на планете убеждают общественность в необходимости активизации усилий для понимания физики землетрясений. Проблема физики очага землетрясения вряд ли преувеличена, поскольку удовлетворительной физической модели землетрясения до сих пор не существует. Землетрясение представляется как процесс резкого разрушения горных пород, залегающих на разных глубинах, при разных давлениях и температурах. Этот процесс развивается во времени, связан с накоплением энергии в геоматериалах, образованием концентраторов внутренних напряжений на различных масштабных уровнях. Подобие этого процесса в литосфере Земли возможно моделировать в лабораторных условиях, подвергая образцы горных пород тепловым и механическим нагрузкам. А так как разрушение материала начинается с разрыва межатомных связей в минералах, образующих горные породы, то на данном масштабном уровне процесс подготовки макроразрушения можно наблюдать с помощью рассеяния нейтронов. И это только один пример.

Второй положительный момент - расширение круга участвующих в наших исследованиях ученых из стран-участниц ОИЯИ. К экспериментальным и теоретическим исследованиям за последние годы подключились специалисты из Вьетнама, Монголии, Румынии, Украины, и польза от этой конференции была очевидна всем участникам.

Ученый секретарь конференции Т.И.Иванкина (ЛНФ): Интересно отметить, что с момента проведения на базе Лаборатории нейтронной физики первого тематического совещания в 1995 году основной состав участников примерно сохранился. Это говорит о неослабевающем интересе к исследованию внутренних напряжений и текстуры с помощью дифракции нейтронов, а также к экспериментальным возможностям решения этих проблем на модернизированных теперь уже дифрактометрах СКАТ и "Эпсилон". Конференция продолжалась три дня, было заслушано около 40 докладов, в ней приняли участие более 60 ученых из научно-исследовательских центров и университетов стран-участниц ОИЯИ, США, а также представительная делегация ученых из Германии.

К.Уллемайер (университет Киля, Германия) и Я.Берман.

Максимально тесное общение не было единственной задачей участников. Атмосфера конференции была настолько творческая, что способствовала созданию новых научных коллабораций, участники которых обсуждали содержание новых исследовательских проектов. Программа STI-2011 включала помимо докладов посещение экспериментальных залов реактора ИБР-2М, экскурсию по Дубне и поездку в научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А.Гагарина в Звездном городке.

М.В.Боргулев (Департамент стратегического управления Госкорпорации по атомной энергии "Росатом"): Благодаря этой конференции я познакомился с Лабораторией нейтронной физики, поскольку в других лабораториях ОИЯИ уже бывал раньше. Мы активно занимаемся изучением интересных приложений ядерных технологий, эта сфера сегодня развивается быстрее, чем ядерная энергетика. Правда, пока непонятно, как с нейтронными исследованиями выйти на рынок, но может быть, лет через 5-10 что-то в этом вопросе прояснится. Заметен интерес к ОИЯИ и ИБР-2М специалистов из разных стран. Начало работы реактора после модернизации - важное событие, это первый пуск исследовательской ядерной установки в новейшей истории России. И в "Росатоме", и в ЛНФ понимают, что квалификация персонала не утрачена, это видно по тому, как быстро и четко идут работы.

Сооружение исследовательских реакторов - это та услуга, которую мы можем экспортировать. Спрос на такие источники нейтронов только растет: сегодня их строят Германия и Аргентина. Реакторы - особые экспериментальные установки, которые могут дать то, чего нельзя получить с помощью ускорителей.

Оптимизму молодого сотрудника "Росатома" можно только позавидовать. Пусть этот газетный отчет закончится на такой оптимистичной ноте. А конференция завершилась оригинально - интереснейшей экскурсией в Центр подготовки космонавтов. Интересной для всех - российских и иностранных участников, взрослых и детей. Спасибо организаторам и за это!

Ольга ТАРАНТИНА, перевод Кристиана ШЕФФЦЮКА, фото Елены ПУЗЫНИНОЙ.