В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Маматовой Меруерт Бахыткызы на тему «Оптические эффекты высокоэнергетического облучения в магний-алюминиевой шпинели» по образовательной программе «8D05305 – Ядерная физика».
Диссертация выполнена на кафедре «Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Шункеев Куанышбек Шункеевич – доктор физико-математических наук, профессор, Директор научного центра «Радиационная физика материалов» Актюбинского регионального университета имени К. Жубанова (г. Актобе, Республика Казахстан)
Ерланұлы Ерасыл – доктор философии (PhD), Руководитель Сentre Environmental Engineering, Казахстанско-Британский технический университет (г. Алматы, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Назаров Қуаныш Мейірғазыұлы – доктор философии (PhD), научный сотрудник Лаборатории нейтронной физики имени И.М. Франка, Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна, Российская Федерация).
Ногай Артур Адольфович – доктор философии (PhD), ст. преподаватель кафедры «Электроснабжение», Казахский агротехнический исследовательский университет имени С. Сейфуллина (г. Астана, Республика Казахстан).
Жумадилов Рахымжан Ерболсынұлы – доктор философии (PhD), главный специалист Национальной нанотехнологической лаборатории открытого типа, Казахский Национальный университет имени аль-Фараби (г. Алматы, Республика Казахстан).
Научные консультанты:
Акилбеков Абдираш Тасанович – доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Техническая физика», Евразийский Национальный университет имени Л.Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан).
Скуратов Владимир Алексеевич – доктор физико-математических наук, профессор, начальник сектора №8 Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова, Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна, Российская Федерация).
Защита состоится: 10 сентября 2026 года 10:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по специальности «8D05305 – Ядерная физика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в смешанном (онлайн и офлайн) формате.
Ссылка: https://clck.ru/3UrHhz
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, аудитория 310.
Аннотация (рус.): Общая характеристика диссертационного исследования Диссертационная работа посвящена исследованию радиационно-индуцированных процессов дефектообразования в монокристаллах магний-алюминиевой шпинели при облучении быстрыми тяжелыми ионами в широком интервале флюенсов. Благодаря сочетанию уникальных физико-химических свойств, MgAl2O4 рассматривается как перспективный материал в ряде высокотехнологичных областей, к примеру, в качестве инертной матрицы ядерного топлива для трансмутации долгоживущих актинидов и конструкционных элементов, устойчивых к радиационному повреждению. Для изучения эволюции радиационно-индуцированных дефектов в облучаемых материалах применяются методы оптической спектроскопии, включающие в себя измерения спектров поглощения, фотолюминесценции с временным разрешением. На основе полученных спектральных и временных данных, выдвинуты предположения о механизмах формирования радиационных дефектов, приведены соответствующие схемы релаксации возбужденных состояний центров люминесценции, установлены компоненты кривых затухания фотолюминеценции и их зависимость от длины волны и флюенса ионов в облученных кристаллов MgAl2O4. Методом просвечивающей электронной микроскопии получены и проанализированы изображения латентных треков в образцах облученных ионами висмута и неона при уровнях электронного торможения выше и ниже порога трекообразования. Актуальность темы диссертационного исследования и степень разработанности проблемы Будущее развитие ядерной энергетики предполагает более эффективную и безопасную эксплуатацию ядерного реактора с длительным ресурсом активной зоны и снижением ее радиотоксичности. При этом особое внимание уделяется разработке ядерного топлива с добавлением инертных матриц (IMF - Inert Matrix Fuel), предназначенных для трансмутации долгоживущих минорных актинидов (Np, Am, Cm), что, в свою очередь, позволит снизить количество радиоактивных ядерных отдохов, подлежащих длительному захоронению. В связи с этим, материалы инертных матриц, функционирующие в агрессивной среде, должны обладать рядом уникальных свойств: высокая температура плавления, высокая теплопроводность, химическая инертность и радиационная стабильность при длительном облучении. Исходя из указанных требований, в качестве перспективных кандидатных материалов активно исследуются материалы на основе бинарной керамики (ZrO2, Al2O3, CeO2, Y2O3, ThO2, ZrN, TiN, Si3N4), трехкомпонентной керамики шпинели (MgAl2O4), монацита (CePO4), циркона (ZrSiO4) и граната (Y3Al5O12), а так же различные жаропрочные металлы и сплавы. Среди перечисленных материалов особый всевозрастающий научный интерес вызывают кристаллы магний-алюминиевой шпинели MgAl2O4, являющиеся перспективным материалом для применения в качестве инертной матрицы дисперсного ядерного топлива для трансмутации минорных долгоживущих актинидов, в дозиметрии в качестве детекторов радиации благодаря стабильности люминесцентных свойств, в оптике и фотонике для оптических окон и линз, лазеров и защитных оптических элементов, а так же в качестве защитных покрытий, работающих в агрессивных средах. Высокая прозрачность в широком спектральном диапазоне, механическая прочность и устойчивость к радиационным повреждениям делают MgAl2O4 одним из наиболее перспективных оптических материалов в экстремальных условиях эксплуатации. Следует также отметить, что шпинель планируется использовать в качестве диагностических окон в термоядерных установках на основе дейтерий-тритиевого синтеза, разрабатываемого в рамках международных исследовательских программ Европейского консорциума. В диссертационный работе к исследованию представлены прозрачные монокристаллы MgAl2O4, облученные тяжелыми ионами высокой энергии, моделирующими воздействие осколков деления. Экспериментальные исследования показали, что магний-алюминиевая шпинель демонстрирует высокую устойчивость к аморфизации в условиях облучения, как нейтронами, так и заряженными частицами. При облучении легкими и тяжелыми ионами формирование аморфной фазы в структуре шпинели не наблюдается вплоть до уровней радиационных повреждений порядка ~100 смещений на атом (сна). Кроме того, данный материал характеризуется повышенной устойчивостью к радиационному распуханию при облучении быстрыми нейтронами при высоких температурах в диапазоне 658-1100 К и до предельно высокого уровня повреждений ~230 сна. Среди экспериментальных методов изучения радиационных дефектов в прозрачных твердых телах особое место занимает оптическая спектроскопия, поскольку позволяет неразрушающим способом получать информацию о структуре и динамике дефектов. Данная методика помогает идентифицировать радиационные дефекты, определить их концентрацию, изучить кинетику процессов, проанализировать энергетические уровни и механизмы переходов в запрещенной зоне кристалла. Для детального исследования структуры материала использовалась высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), с помощью которой были получены изображения латентных треков. Эти методы дают взаимодополняющую информацию о радиационных повреждениях в шпинели после облучения БТИ. На сегодняшний день, несмотря на имеющиеся литературные данные по радиационно-стимулированным процессам в MgAl2O4, остаются открытыми ряд вопросов, связанных с природой формирования дефектов, процессами релаксации и анализом времен жизни возбужденных состояний. Кроме этого, влияние образующихся латентных треков на люминесцентные свойства MgAl2O4 до этого момента не были изучены. В связи с этим, установление закономерностей формирования радиационных повреждений методами оптической спектроскопии и высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, вызываемых быстрыми тяжелыми ионами, является целесообразным и определяет актуальность данной диссертационной работы. Целью диссертационной работы является комплексное изучение радиационно-стимулированных процессов и механизмов генерации радиационных дефектов в монокристаллах магний-алюминиевой шпинели, вызываемых тяжелыми ионами с энергиями осколков деления в широком интервале флюенсов и энергий. Задачи исследования. В ходе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи: 1. Исследовать спектральный состав фотолюминесценции с приповерхностной области образцов MgAl2O4, облученных быстрыми тяжелыми ионами, при возбуждении лазерным источником на длине волны 445, 355, 473 и 532 нм. 2. Исследовать профили фотолюминесцении в зависимости от глубины проникновения ионов в MgAl2O4, облученной ионами висмута (710 МэВ), при возбуждении лазерным светом на длинах волн 355, 473, 532, и 785 нм. 3. Исследовать кривые затухания фотолюминесценции в кристаллах MgAl2O4, облученных ионами ксенона (150 МэВ), методом коррелированного по времени счета одиночных фотонов, а так же зависимость этих кривых затухания от флюенса и длины волны. 4. Выяснить механизмы формирования радиационных дефектов и процессы релаксации электронных возбуждений. 5. Исследовать микроструктуру MgAl2O4 после облучения тяжелыми ионами при уровнях удельных ионизационных потерь энергии выше и ниже порога образования латентных треков. Объект исследования. В диссертационной работе были использованы прозрачные монокристаллы магний-алюминиевой шпинели MgAl2O4 от фирмы «CRYSTAL GmbH» выращенные методом Чохральского со стехиометрическим составом 1:1 и ориентацией [110], [100], [111], облученные тяжелыми ионами высоких энергий на ускорителях ИЦ-100 и У-400 (ЛЯР, ОИЯИ). Предметом исследования являются радиационно-индуцированные процессы дефектообразования в монокристаллах магний-алюминиевой шпинели, облученные высокоэнергетическими тяжелыми ионами. Методы исследования. В диссертационной работе спектры фотолюминесценции были измерены с помощью лазерной конфокальной сканирующей микроскопии ИНТЕГРА СПЕКТРА и конфокального спектрометра Nanofinder High End. Для измерения кинетики затухания люминесценции MgAl2O4 использовался метод коррелированного по времени счета одиночных фотонов с использованием импульсного лазерного источника на длине волны 445 нм (2,78 эВ). Структурные исследования были выполнены на современных высокоразрешающих просвечивающих электронных микроскопах FEI Talos™ F200i S/TEM (ЛЯР, ОИЯИ) и JEOL ARM200F (Университет Нельсона Манделы, Порт-Элизабет, ЮАР), работающих при напряжении 200 кВ. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Cпектральный состав фотолюминесценциии кристаллов MgAl2O4, облученной ионами Xe, Kr, Bi, Ne при возбуждении на длинах волн 355, 445, 473 и 532 нм. 2. Установлены компоненты кривых затухания фотолюминесценции MgAl2O4, облученной ионами Xe. Зависимость кривых затухания от флюенса и длины волны излучения. 3. Микроструктурные изображения латентных треков, полученных методами ПЭМ на образцах MgAl2O4, облученных ионами Bi и Ne. Их сравнительный анализ. 4. Анализ профилей интенсивности фотолюминесценции по глубине проникновения ионов висмута (710 МэВ) в материал при возбуждении на разных длинах волн – 355, 473, 532 и 785 нм. Научная новизна исследования. Научная новизна проведенных экспериментальных исследований заключается в следующем: - впервые в облученных быстрыми тяжелыми ионами образцах MgAl2O4 была обнаружена широкая высокоинтенсивная неэлементарная полоса фотолюминесценции в спектральном диапазоне от 475 до 800 нм. Природа этой полосы в настоящий момент до конца не ясна и не известны связанные с ней дефекты, приводятся лишь предположения; - впервые изучена кинетика затухания люминесценции для образцов, облученных ионами ксенона с энергий 150 МэВ. Определены константы затухания люминесценции и изучена зависимость время-разрешенных спектров от флюенса ионов и длины волны в широком спектральном диапазоне от 490 до 700 нм; - впервые представлены профили фотолюминесценции в зависимости от глубины проникновения ионов висмута в MgAl2O4 при возбуждении фотонами с различной энергией 3,5 эВ (355 нм), 2,6 эВ (473 нм), 2,3 эВ (532 нм) и 1,83 эВ (785 нм); - изучена микроструктура шпинели, облученной ионами висмута с энергией 710 МэВ и ионами неона (23 МэВ). Проведен анализ структуры зарегистрированных латентных треков и сравнительный анализ структуры шпинели, в случае когда ниже порога образования треков и выше. Теоретическая значимость работы Представленные экспериментальные исследования вносят вклад в фундаментальное научное развитие радиационного материаловедения и физики твердого тела. Результаты настоящей работы способствуют более четкому пониманию радиационно-индуцированных процессов в широкощелевых материалах и позволят расширить сведения для дальнейших работ по изучению дефектов в магний-алюминиевой шпинели. Сформулированные выводы и заключение по работе могут представлять полезную информацию для построения теоретических моделей по данному объекту исследования или моделирования радиационно-стимулированных эффектов в структуре шпинели. Практическая значимость работы Практическая значимость, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы исследований, не вызывает сомнений, ввиду широкого спектра применимости магний-алюминиевой шпинели во многих областях техники и производства технологий. Приведенные данные могут быть полезны для оценки использования магний-алюминиевой шпинели как радиационно-стойкого материала в ядерной энергетике, а так же в качестве функционального материала в устройствах фотоники и лазерной технике. Обоснованность и достоверность результатов работы. Использование современной экспериментальной базы и методики измерений позволяют считать результаты работы достоверными. Сравнение полученных результатов с уже известными данными по оксиду алюминия позволяют сделать логические выводы и свидетельствует о высокой степени обоснованности научных положений. Результаты, представленные в диссертации, были опубликованы в международных рецензируемых научных журналах, а также представлены в материалах международных конференций. Личный вклад автора. Экспериментальные результаты диссертационной работы были получены автором при участии сотрудников Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна, Россия), Белорусского Государственного университета (г. Минск, Беларусь) и Центра высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии университета имени Н. Манделы (г. Порт Элизабет, ЮАР). Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в проведении экспериментальных измерений, обработки полученных результатов, анализе имеющихся литературных данных. Анализ, интерпретация и обсуждение физических процессов были выполнены совместно с научными консультантами. Связь работы с планом государственных научных программ. Диссертационная работа была выполнена в рамках грантового финансирования молодых ученых по научным и (или) научно-техническим проектам АР09259669 «Радиационная стойкость алюмо-магниевой шпинели: оптические эффекты высокоэнергетического ионного облучения» 2021-2023 гг. Апробация работы. Основные выводы и результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях и обсуждены на научных семинарах: 1. 21-я международная конференция «The 21st International Conference on Radiation Effects in Insulators (REI-21)» (г. Фукуока, Япония, 3-8 сентября, 2023 г.). 2. 8-ой Международный Конгресс «Energy Fluxes and Radiation Effects EFRE 2022» (г. Томск, Россия, 2-8 октября, 2022 г.). 3. The XXVI International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists «AYSS-2022» (г. Дубна, Россия, 24-28 октября, 2022 г.). 4. Научный семинар на тему «Фотолюминесценция алюмо-магниевой шпинели MgAl2O4, облученной тяжелыми ионами высоких энергий» в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (8 сектор) ОИЯИ и Центр прикладной физики (г. Дубна, 20 сентября, 2022 г.) 5. 25-ая Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (г. Ярославль, Россия, август 2021 г.) 6. III Международный научный форум «Nuclear Science and Technologies» (г. Алматы, 20-24 сентября, 2021 г.). 7. 14-ая Международная конференция «Interaction of Radiation with solids» (г. Минск, Беларусь, 21-24 сентября, 2021г.). 7. II Международный турецкий конгресс «TURK-COSE 2020», (г. Астана, 14-15 ноября, 2020 г.). Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 9 опубликованных работах, из них 2 статьи в рейтинговых журналах с ненулевым импакт-фактором; 2 статьи в изданиях из перечня, утвержденного Комитетом по контролю в сфере образования и науки Министерства образования и науки Республики Казахстан; 5 работ - в материалах международных конференций. Статьи в журналах, индексируемые наукометрическими базами данных SCOPUS, Web of Science: 1. Photoluminescence of high energy xenon ion irradiated magnesium aluminate spinel single crystals // Radiation Measurements. – 2023. – Vol. 167. – P. 106998. 2. Photoluminescence and structural characterization of MgAl2O4 irradiated with swift Bi ions // Journal of Luminescence. – 2025. – Vol. 283. – P. 121259. Статьи в изданиях, рекомендуемых уполномоченным органом: 1. Фотолюминесценция монокристаллов алюмо-магниевой шпинели, облученной быстрыми тяжелыми ионами // Вестник КазАТК. – 2023. – Vol. 3 (126). – P. 451-460. 2. Confocal and time-resolved photoluminescence spectra of MgAl2O4 spinel crystals irradiated with swift heavy bismuth ions // Technobius Physics. – 2025.- Vol. 3 (2). – P. 0034. Статьи в сборниках республиканских и международных научно-практических конференций: 1. Импульсная фотолюминесценция шпинели MgAl2O4 облученной тяжелыми ионами высоких энергий // Cборник материалов конференции, 14-я Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ-2021)» (Минск, 2021. – C. 168-171). 2. Время-разрешенная фотолюминесценция Al2O3, облученного тяжелыми ионами с энергией 1.2 – 3 МэВ/aeм // Труды XXV Международной конференции, XXV Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2021)», (Ярославль, 2021. – С. 111-114). 3. Photoluminescence of MgAl2O4 irradiated with high energy heavy ions // Proceedings of the III International Scientific Forum «Nuclear Science and Technologies» (Almaty, 2021. – P. 97-98). 4. Photoluminescence of high energy ion irradiated magnesium aluminate spinel single crystals // Proceedings of the 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE) (Tomsk, 2022. – P. 382). 5. Photoluminescence of swift Xe ion irradiated MgAl2O4 // Proceedings of the 21st International Conference on Radiation Effects in Insulators (REI-21) (Fukuoka, 2023. – P. 238). Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 96 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех разделов, заключения и списка использованных источников. Общий объем работы включает 5 таблиц и 55 рисунков. Во введении описаны актуальность и новизна работы, сформулированы цели и задачи, обоснована их научная и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту, личный вклад автора, публикации, апробация и краткое содержание диссертации. Первый раздел посвящен краткому литературному обзору имеющихся данных по радиационным процессам, возникающих в магний-алюминиевой шпинели. Описаны механизмы формирования примесных центров, дефектных состояний и их влияние на оптические свойства материала. Особое влияние уделено радиационным повреждениям, вызванные высокой плотностью электронных возбуждений. Приведены возможные области применения данного материала. Во втором разделе диссертационной работы изложены экспериментальные методики измерения спектров и кинетики фотолюминесценции монокристаллов MgAl2O4, облученных тяжелыми ионами. Для этого использовались лазерная конфокальная микроскопия, спектроcкопия с временным разрешением (TCSPC) и программное обеспечение EasyTau2 для анализа кривых затухания. В третьем разделе представлены результаты исследований, анализ и обсуждение экспериментальных данных. Показаны спектры фотолюминесценции при возбуждении лазером с длиной волны 355, 445, 473 и 532 нм. Продемонстрированы кривые затухания фотолюминесценции шпинели, облученной ионами ксенона при возбуждении на длине волны 445 нм. Установлены их характерные времена жизни. Описаны микроструктурные данные, полученные с ПЭМ, для образцов облученных ионами висмута и неона. Кроме этого, представлены профили интенсивности фотолюминесценции по глубине проникновения ионов висмута в MgAl2O4. В заключении изложены основные выводы диссертационной работы.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=BfpfPxS0Hao
