Метод аннигиляции электронов и позитронов в исследовании структуры хлопкового волокна разной зрелости

АННОТАЦИЯ

В статье приводиться результаты экспериментальной исследование дозревание волокон хлопка происходит при совершенствовании фибрилл, и процесс дозревания хлопка связан со структуры перестроениями без увеличения количества вещества целлюлозы хлопка.

ABSTRACT

The article presents the results of an experimental study of the maturation of cotton fibers with the improvement of fibrils, and the ripening process of cotton is associated with the structure by rearrangements without increasing the amount of cotton cellulose substance.

Ключевые слова: механические свойства, квантов, фибрилл, аннигиляция электронов и позитронов, вызревание волокон хлопка.

Keywords: mechanical properties, quanta, fibrils, annihilation of electrons and positrons, maturation of cotton fibers.

Основой этого метода является свойство позитронов аннигилироваться с электронами окружающей среды, с испусканием жесткихквантов. Проблема образования позитронов в различных средах тесно связано с вопросом замедление энергичных позитронов и излучением конкурирующих процессов, в которых могут участвовать медленные позитроны. Вся информация о позитронии получена до последнего времени с использованием β⁺- активных источников Nа²² и Со⁶⁴, которые дают позитроны со средней энергией в несколько сотен кэв.

Эти энергичные позитроны, проходя через вещество, теряет свою энергию, в основном, на ионизацию атомов и молекул (или возбуждение коллективных уровней в конденсированной фазе), причем время замедления до энергии порядка потенциала атомов или молекул составляет 10^-11-10^-12 с. (1). С достаточно хорошей точностью можно пренебречь аннигиляцией быстрых позитронов и считать, что все испускаемые источником позитроны (95%) успевает замедлиться до энергий, при которых возможно образования позитрония.

Образования позитрония возможно двояко: а) с электроном, который до взаимодействии был связан в атоме (молекуле): б) со свободным электроном в ионизационном треке (шпуре), образованном замедляющимся позитроном. Допускается также такой процесс образования позитрония, в котором на первом этапе электроны вырывается позитроном на оболочки атома, однако, в связи избытком энергии, возбуждённая система (е⁺, е^--) должна в последующем взаимодействии с окружением стабилизироваться как основное состояние позитрония путем передачи избытка энергии на возбуждение электронов в атомах (молекулах) хлопкового волокна.

Изучая основные характеристики процесса аннигиляции - угловое распределение аннигилированное излучение и время жизни позитронов по отношению к аннигиляции, - можно получить ценные сведения о строении изучаемого хлопкового волокна разной зрелости.

Наличие в структуре хлопкового волокна пор и пустот влияет на его механические свойства, особенно такие, как разрывная нагрузка и выносливость к многократным деформациям, т.к. эти “дефекты” могут явиться накопителем напряжений в поры и пустотах, и возникающих под влиянием различных механических воздействий на волокна.

Для изучения влияния зрелости хлопковых волокон на процесс образования пор и микро пустот в их структуре был применен метод аннигиляция позитронов и электронов. Для определения усредненного размера микро пустот в хлопковом волокне метод аннигиляция позитронов применялось впервые.

Рисунок 1. Схема аннигиляционной установки

По схеме рис.1 на установке ( рис. 2 ) измеряется частота или скорость счета двух  совпавших по времени  квантов (т.е. квантов от одного акта аннигиляции ) в зависимости от угла разлета  от 180⁰ при постоянном времени счета в каждом зафиксированном положении.

А)                                                                       б )

Рисунок 2. Общий вид аннигиляционной установки

а) левый подвижной детектор; б) электронная часть установки.

На основе полученной информации строены кривые угловой корреляции аннигилированных квантов ( рис. 3). При построении графика по оси ординат откладывается число N зарегистрированных совпадавших во времени  квантов, по оси абсцисс– угол  в котором зарегистрировано данное число N. Кривая углевой корреляция хлопкового волокна состоят из двух компонент: из узкой,  (3,5 мрад.) и широкой ( 3,5 мрад.). При углах 15 мрад широкая компонента переходит в плато фона случайных совпадений рис.3.

Акты свободной аннигиляции вносит основной вклад в широкую компоненту. Узкая компонента обусловлена  аннигиляцией атомов позитрония, и интенсивность аннигиляции свидетельствует о вероятности их образования.θ мрад

Рисунок 3. Кривая угловой корреляции аннигилированных  квантов

По экспериментальным точкам находится аналитические выражение параболы, а затем строятся ее график (кривая 1, рис. 3). Последующим вычитанием ординат параболы из ординат экспериментальной кривой определяются ординаты узкой компоненты (кривая 2, рис.3). По узкой компоненте рассчитываем размер микро полостей хлопкового волокна.

Например: для 65- дневного образца волокна

270 = а ( 3,5)² + в                             а = - 6,6

186 = а ( 5 )² + в                             в = 350

84=12,75 а

Микропустот волокон хлопка представляет собой потенциальную кубическую яму с размером сторон (ребер куба)

а = в = с = L Расчет сторон L проводят по следующей формуле:

L = 4, 2 / Г * нм (1) где Г- полуширина узкой компоненты.

Результаты экспериментальных данных сведены в таблице.

Таблица 1.

Результаты экспериментальных данных

C увеличением количества дней вызревание волокон до 45 дней размер микро пустот увеличивается до 1,20 нм. к 55 дням эта величина становится ровной 1,27 нм и остается такой вплоть до полного раскрытия коробочек (65 дней).

Это явление можно объяснить следующим образом: дозревание волокон хлопка происходит при совершенствовании фибрилл, и процесс дозревания хлопка связан со структурными перестроениями без увеличения количества вещества целлюлозы хлопка. Отсюда следует, что структурные изменение происходит за счет перестройки молекулярных образований (макро фибрилл и микро фибрилл) размеры которых по данным (2) могут иметь широкое распределение, начиная от 1нм до 10 нм.

Полуширина кривой распределение аннигилированных  квантов совпадения уменьшается от 11,3 мрад до 10,2 мрад. Как известно (1,3), такое уменьшение полуширина являются следствием  уменьшением импульсов электронов, участвующих в процессе аннигиляции. Уменьшение импульса электронов может быть вызвано только при фазовых изменениях в объеме исследуемого хлопкового волокна разной зрелости.

Список литературы:

1. Арифов У. А., Арифов П.У. Физика медленных позитронов, ФАН, Ташкент, 1971, 309 с.
2. Турманов И. Исследование связи физико механических свойств волокон хлопка разной зрелости со структурой. Дисс. на соис. к.т.н. Москва, 1980. 150 с.
3. Турманов И. Исследование микро пористости хлопковых волокон разной зрелости. Ж. Илим ҳәм жәмийет,2011г, № 1-2 .13-15с.