Repository of the Institute of Nuclear Physics PAN
Not a member yet
364 research outputs found
Sort by
Using X-ray measurements to assess uncertainties in plasma temperature and impurity profiles in tokamaks
No full textIn tokamaks, the local X-ray plasma emissivity is a complex quantity resulting from the contribution of several plasma parameters, i.e. electron temperature, density and concentration of impurities in multiple ionization states. In particular, the impurity core concentration can be estimated from the emissivity in the soft X-ray (SXR) range 0.1 – 20 keV, while information about the superthermal electron population can be obtained in the hard X-ray (HXR) range 20 keV – 200 keV. The estimation of the tungsten concentration profile is subject to many uncertainties, in particular it requires accurate knowledge of plasma temperature, magnetic equilibrium, atomic processes leading to its cooling factor and the spectral response of the diagnostic. A global W concentration can, for example, be inferred with integrated simulation codes in order to match the total radiated power. When all other plasma parameters are well-known, the impurity density profile can be reconstructed in the core with the help of SXR tomographic tools. Nevertheless, in the case of a significant fraction of superthermal electrons e.g. due to RF heating, accurate estimation of electron temperature from ECE measurements can become a challenging task. Therefore, the goal of this contribution is to establish a methodology to assess the uncertainty in the core electron temperature and impurity concentration profiles based on X-ray measurements. The proposed strategy is to define a grid of candidates (Te, cW) scenarios and identify the ones having the highest consistency with respect to multiple line-integrated measurements. In order to determine the capabilities and limitations of such an approach, the method is first tested on well-known synthetic profiles in an arbitrary tokamak geometry. In a second step, first experimental tests are presented for some selected WEST discharges.This work has been partially funded by the National Science Centre, Poland (NCN) grant HARMONIA 10 no. 2018/30/M/ST2/00799. We gratefully acknowledge Poland’s high-performance computing infrastructure PLGrid (HPC Centers: ACK Cyfronet AGH) for providing computer facilities and support within computational grant no. PLG/2022/015994. This work has been carried out within the framework of the EUROfusion Consortium, funded by the European Union via the Euratom Research and Training Programme (Grant Agreement No 101052200 — EUROfusion). Views and opinions expressed are however those of the authors only and do not necessarily reflect those of the European Union or the European Commission. Neither the European Union nor the European Commission can be held responsible for them. This work has been published in the framework of the international project co-financed by the Polish Ministry of Education and Science, as program “PMW”
Optically stimulated luminescent response of the LiMgPO4 silicone foils to protons and its dependence on proton energy
No full textThe prototype of the LiMgPO4 (LMP) silicone foils has been tested to find their OSL relative response to protons and their dependence on proton energy. The proton depth–-dose distribution was measured for the pristine monoenergetic 58 MeV Bragg Peak (BP) available from the AIC-144 isochronous cyclotron. 40 LMP flat sheet silicone foils stacked together inside a specially designed PMMA phantom, have been irradiated in the therapeutic room of the proton eye radiotherapy facility (IFJ PAN). The Co-60 gamma source in the same facility was used as the reference radiation. The data provided raw images registered for each LMP silicone foil after irradiation with protons and images captured after irradiation with the reference Co-60 gamma source and metadata. Data were used in the paper: Sądel Michał, Leszek Grzanka, Jan Swakoń, Jakub Baran, Jan Gajewski, and Paweł Bilski. 2023. "Optically Stimulated Luminescent Response of the LiMgPO4 Silicone Foils to Protons and Its Dependence on Proton Energy" Materials 16, no. 5: 1978. https://doi.org/10.3390/ma16051978
Prototypowe folie silikonowe na bazie LiMgPO4 (LMP) przetestowano, w celu wyznaczenia ich względnej wydajność luminescencyjnej (OSL) na protony oraz ich zależność od energii protonów. Zmierzono rozkład głębokościowy dawki protonów dla monoenergetycznej wiązki tzw. pojedynczy Pik Bragga (BP), dostępnej z izochronicznego cyklotronu AIC-144, w pomieszczeniu terapeutycznym radioterapii protonowej oka (IFJ PAN). Napromienianiu poddano 40 płaskich folii silikonowych, ułożonych wewnątrz specjalnie zaprojektowanego fantomu PMMA w formie stosu. Jako promieniowanie referencyjne wykorzystano źródło gamma Co-60. Udostępnione dane składają się z zestawu surowych obrazów zarejestrowanych dla każdej z 40 folii LMP, napromienionej wiązką protonów oraz promieniowaniem gamma, przy użyciu dedykowanego systemu obrazowania optycznego, składającego się ze źródła LED oraz wysokoczułej kamery CCD wraz z metadanymi. Udostępnione dane wykorzystane zostały w artykule: Sądel Michał, Leszek Grzanka, Jan Swakoń, Jakub Baran, Jan Gajewski, and Paweł Bilski. 2023. "Optically Stimulated Luminescent Response of the LiMgPO4 Silicone Foils to Protons and Its Dependence on Proton Energy" Materials 16, no. 5: 1978. https://doi.org/10.3390/ma16051978Narodowe Centrum Nauki2021/43/D/ST5/0304
Badanie rozcieńczonych roztworów pierścieniowych oraz gwiaździstych polimerów w ograniczonych przestrzeniach
No full textPrzedmiotem badań niniejszej pracy był zarówno rozcieńczony roztwór idealnych polimerów pierścieniowych, jak i polimerów gwiaździstych złożonych z czterech ramion f=4 w Ө-rozpuszczalniku zanurzonym w ograniczonej geometrii szczeliny dwóch równoległych ścianek, a także dużych i małych koloidalnych cząstek o różnych właściwościach adsorbująco-odpychających w stosunku do polimeru. Celem pracy było przedstawienie jaki wpływ na wielkości fizyczne tj: siła oddziaływania, potencjał oddziaływania, czy profil gęstości monomerów, które powstają przez umieszczenie roztworu polimeru w ograniczających go powierzchniach będzie miała zmiana topologii polimeru.
W ramach Gaussowskiego modelu przy wymiarowości przestrzeni d=3 oraz uwzględnieniu analogii pomiędzy ferromagnetykami a polimerami zaproponowaną przez de Gennesa [1] zostały przeprowadzone analityczne obliczenia na siłę oddziaływania i potencjał oddziaływania dla rozcieńczonego roztworu polimerów pierścieniowych oraz polimerów gwiaździstych w zamkniętej szczelinie dwóch równoległych ścianek typu cienkich warstw. Każda ze ścianek w cienkiej warstwie ma inne właściwości adsorbująco-odpychające w stosunku do polimeru. Warunek brzegowy Dirichleta-Dirichleta odpowiada sytuacji, kiedy obie powierzchnie są odpychające, natomiast warunek brzegowy Dirichleta-Neumanna opisuje przypadek mieszanych ścianek, czyli kiedy jedna z nich jest odpychająca a druga obojętna. Ponadto biorąc pod uwagę aproksymację Derjaguina [2], która opisuje roztwór dużych koloidalnych cząstek zostały przeprowadzone obliczenia dla siły oddziaływania i profilu gęstości monomerów dla wyżej wymienionych przypadków. Poza tym przeprowadzono obliczenia profilu gęstości monomerów warstwy i uniwersalnej amplitudy dla powyższych topologii polimeru znajdujących się w zamkniętej przestrzeni cienkich warstw, jak również koloidalnych cząstek dużego oraz małego rozmiaru.
Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że zarówno zmiana architektury, jak i konformacja polimeru wpływa na właściwości fizyczne makrocząsteczki będącej w szczelnie dwóch równoległych ścianek, a także w roztworze dużych i małych koloidalnych cząstek.
Siła oddziaływania dla rozcieńczonego roztworu idealnych gwiaździstych polimerów w obu przypadkach jest przyciągająca, ale większa niż odpowiednie siły dla idealnych liniowych, a także pierścieniowych łańcuchów polimerowych w przypadku dwóch odpychających powierzchni. Należy wspomnieć, że siła oddziaływania w przypadku mieszanych ścian, czyli gdy jedna powierzchnia jest odpychająca a druga obojętna, jest mniejsza niż w przypadku dwóch powierzchni odpychających i wykazuje odwrotne zachowanie w przypadku rozcieńczonego roztworu idealnych pierścieniowych polimerów w ograniczonej geometrii dwóch równoległych ścianek o mieszanych powierzchniach.
Maksimum gęstości monomerów w warstwie, gdy obie powierzchnie są odpychające znajduje się w środku szczeliny przy L/2. Natomiast, jeżeli jedna powierzchnia jest odpychająca a druga obojętna to maksimum gęstości monomerów w warstwie usytuowane jest w pobliżu odległej ścianki z powierzchnią obojętną, przy której występuje próg adsorpcji. Bardziej skomplikowanej strukturze topologicznej odpowiada mniejszy promień bezwładności, co prowadzi do zmniejszenia gęstości monomerów w warstwie wraz ze wzrostem złożoności struktury topologicznej w obszarze między dwiema odpychającymi powierzchniami, jak również w pobliżu powierzchni, przy której ma miejsce tzw. próg adsorpcji, czyli w sytuacji mieszanych ścianek. Nasuwa się następujący wniosek, że skomplikowana struktura topologiczna polimerów pierścieniowych zapobiega ich adsorpcji na powierzchni i prowadzi do zmniejszenia gęstości monomerów w warstwie, w pobliżu powierzchni adsorpcyjnej. W relacji gęstość-siła niezależnie od topologii polimeru w warstwie stosunek uniwersalnej amplitudy wynosi B=2, pomimo że wartość profilu gęstości monomerów, jak również siły dla polimerów liniowych i pierścieniowych są różne.
Profil gęstości monomerów dla rozcieńczonego roztworu polimerów gwiaździstych f=4 przy powierzchni odpychającej jest mniejszy niż polimerów liniowych i pierścieniowych, gdy ścianka znajduje się przy progu adsorpcji sytuacja jest odwrotna.
Gęstość monomerów w warstwie zależy zarówno od promienia bezwładności polimerów pierścieniowych, jaki i odległości między ściankami L/R_x , gdzie L-szerokość szczeliny, a R_x to składowa iksowa promienia bezwładności. W przypadku rozcieńczonego roztworu idealnych pierścieniowych polimerów ograniczonych jedną lub dwoma koloidalnymi cząstkami na wpływ gęstości monomerów warstwie ma wielkości mezoskopowej cząstki, jak również odległość a między ścianą a cząstką lub między dwiema cząstkami a/R_x .
Zależność między profilami gęstości monomerów dla polimeru pierścieniowego z węzłem typu 0_1 do profilu gęstości monomerów idealnych liniowych łańcuchów polimerowych w przypadku dwóch równoległych ścian o powierzchniach odpychających, a także jednej odpychającej a drugiej obojętnej jest równa jeden [3]. Szczególną rolę w profilach gęstości monomerów w ograniczonych geometriach odgrywają efekty entropowe oraz topologia polimeru.
W przypadku małej, koloidalnej cząstki lub nanocząstki w pobliżu ścianki z powierzchnią obojętną, otrzymujemy, że siła jest równa zeru dla rozcieńczonego roztworu liniowych łańcuchów polimerowych, co wskazuje, że na rozcieńczony roztwór polimeru nie wpływa obecność ścianki. Jeżeli rozważamy rozcieńczony roztwór idealnych pierścieniowych łańcuchów polimerowych zamkniętych w roztworze małej, koloidalnej cząstki lub nanocząstki przy ścianie z powierzchnią obojętną obserwujemy, że polimer adsorbuje się na ścianie, co prowadzi do odpychania między małą, koloidalną cząstką a ścianką. Natomiast, w sytuacji gdy ścianka jest odpychająca (warunek brzegowy Dirichleta) pokazuje, że odpowiednia siła oddziaływania staje się przyciągająca. Oznacza to, że zarówno liniowy, jak również pierścieniowy polimer znajdujący się w przestrzeni między małą cząstką a ścianą z powierzchnią odpychającą posiada tendencję do uciekania z ograniczającego go obszaru, co prowadzi do niezrównoważonego ciśnienia na zewnątrz i przyciągania między małą, koloidalną cząstką lub nanocząstką a ścianą.
Badanie adsorpcji polimerów na powierzchniach oraz w roztworach dużych, jak i małych koloidalnych cząstek lub nanocząstek cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na szerokie praktyczne zastosowanie w mikro i nanoelektronice, a także medycynie w celu lepszego zrozumienia systemów dostarczania leków, czy też zapobieganie fuzji wirusa z komórkami gospodarza.
[1] deGennes P.G. Scaling Concepts in Polymer Physics; Cornell University Press, 1979.
[2] Derjaguin, B.V. Kolloid-Z. 1934,69, 155.
[3] Matthews R.; Louis A.A.; Yeomans J.M. Mol. Phys. 2011, 109, 1289The subject of this study were a diluted solution of ideal ring polymers and star polymers composed of four arms f =4 in a Ө- solvent immersed in the confined geometry slit of two parallel walls, as well as the solution of big and small colloidal particles with different adsorbing and repelling properties in respect to the polymer. The aim of the work was to present the influence of the change of the polymer topology on the physical quantities, i.e. the depletion force, the depletion interaction potential and the monomer density, which are formed by placing the polymer solution in its bounding surfaces.
Within the Gaussian model with the dimensionality of the space d = 3 and taking into account the analogy between ferromagnets and polymers proposed by de Gennes [1], analytical calculations were carried out on the depletion force and the depletion interaction potential for a dilute solution of ring polymers and star polymers in the slit geometry of two parallel walls of
thin-film type. Each of the walls in a thin layer has different adsorbing and repelling properties in respect to the polymer. The Dirichlet-Dirichlet boundary condition corresponds to the situation when two surfaces are repulsive, while the Dirichlet-Neumann boundary condition describes the case of mixed walls, i.e. when one of them is repulsive and the other is inert. Moreover, taking into account the approximation of Derjaguin [2], which describes the solution of large colloidal particles, calculations were performed for the interaction strength and the monomer density profiles for the above-mentioned cases. In addition, calculations of the layer monomer density profiles and the universal amplitude for the above polymer topologies residing in the slit geometry of thin films as well as in solution of big or small colloidal particles were performed.
The physical properties of a macromolecule are influenced by a change in its architecture, the conformation as well as surfaces with different adsorbing and repelling properties in respect to the polymer limiting solution.
The depletion force for a dilute solution of ideal star polymers is attractive but greater than the corresponding depletion force for ideal linear as well as ring polymer chains in the case of two repulsive walls. It should be mentioned that the impact force in the case of mixed walls, i.e. when one surface is repulsive and the other inert is smaller than in the case of two repulsive walls and shows the opposite behaviour in the case of a dilute solution of ideal ring polymers in the slit geometry of two parallel walls with mixed walls.
The maximum monomer density in the layer when both surfaces are repulsive is in the centre of the slit at L/2. On the other hand, if one surface is repulsive and the other is inert, then the maximum monomer density in the layer is located near the distant wall with the inert surface, where the adsorption threshold takes place. A more complex topological structure corresponds to a smaller radius of gyration, which leads to a decrease in the density of monomers in the layer as the complexity of the topological structure increases in the area between two repulsive walls as well as in the vicinity of the surface where the so-called adsorption threshold occurs, i.e. in the case of mixed walls. The conclusion is that the complicated topological structure of the ring polymers prevents their adsorption on the surface and leads to a reduction of the monomer density in the region near the adsorption surface. In the density-force relation, regardless of the topology of the polymer in the layer, the ratio of the universal amplitude is B=2, although both the value of the monomer density profile and the force for linear and ring polymers are different.
The monomer density in the layer depends on both the radius of gyration of the ring polymers and the distance between the walls L/R_x , where L- the width of the slit and R_x is the x component of the radius.
In the case of a dilute solution of ideal ring polymers limited by one or two colloidal particles, the effect of the monomer density of the layer is the size of the mesoscopic particle, as well as the distance a between the wall and the particle or between two particles a/R_x .
The relations between the monomer density profiles for a ring polymer with a knot of the 0_(1 )type and the monomer density profile of ideal linear polymer chains in the case of two parallel walls with repulsive surfaces, as well as one repulsive and the other inert, is equal to one [3]. The entropy effects and the polymer topology play a special role in the monomer density profiles in confined geometries.
In the case of a small, colloidal particle or nanoparticle near the wall with the inert surface, we get the force equal to zero for a dilute solution of linear polymer chains, indicating that the dilute polymer solution is not affected by the presence of the wall. If we consider a dilute solution of ideal polymer ring chains enclosed in a solution of a small, colloidal particle or nanoparticle against a wall with an inert surface, we observe that the polymer adsorbs on the wall, which leads to repulsion between the small, colloidal particle and the wall. On the other hand, in a situation where the wall is repulsive (Dirichlet boundary condition), it shows that the appropriate depletion force becomes attractive. This means that both linear and ring polymers in the space between a small particle and a wall with a repellent surface tend to run away from the bounding area, leading to an unbalanced pressure to the outside and the attraction between the small, colloidal particle or nanoparticle and the wall.
The study of the adsorption of polymers on surfaces and in solutions of big or small colloidal particles or nanoparticles is of great interest due to the wide practical applications in micro and nanoelectronics as well as medicine in order to better understand drug delivery systems or to prevent virus fusion with the host cells.
[1] deGennes P.G. Scaling Concepts in Polymer Physics; Cornell University Press, 1979.
[2] Derjaguin, B.V. Kolloid-Z. 1934,69, 155.
[3] Matthews R.; Louis A.A.; Yeomans J.M. Mol. Phys. 2011, 109, 1289.10
Changes in mechanical properties of single cells in the oxygen and glucose deprivation (OGD) model
No full textUdar mózgu jest jedną z głównych przyczyn zgonów u osób w wieku powyżej 40 lat. Pod względem etiologii wyróżnia się udar krwotoczny i niedokrwienny, ten drugi stanowi znaczną większość przypadków (około 90%). Przyczyną udaru niedokrwiennego jest zablokowanie światła naczynia krwionośnego (na przykład skrzepliną) prowadzące do zablokowania przepływu natlenowanej krwi przez tkankę. Obecnie w terapii udaru stosuje się leki rozpuszczające skrzeplinę (rekombinowany tkankowy aktywator plazminogenu) i przywracające przepływ krwi. Pomimo wielu badań klinicznych i setek potencjalnych leków, wciąż nie ma skutecznej terapii opartej na neuroprotekcji.
Badanie zmian właściwości nanomechanicznych tkanki nerwowej oraz poszczególnych komórek może rzucić światło na mechanizmy zaangażowane w patologiczne zmiany zachodzące w komórkach podczas udaru i zrozumieć procesy molekularne, które za nimi stoją. Do oceny i wyjaśnienia zmian właściwości nanomechanicznych różnych modeli komórkowych zastosowano połączone techniki mikroskopii sił atomowych (AFM), mikroskopii konfokalnej i analizy aktywności metabolicznej. Pierwszy model oparty jest na modelu komórkowym SH-SY5Y ludzkiej neuroblastomy. Komórki poddano deprywacji tlenu i glukozy (OGD) przez 1, 3 i 12 godzin. Ich odpowiedź biomechaniczną badano bezpośrednio po ekspozycji na OGD i po 24-godzinnej reoksygenacji (24h RO). Uzyskane wyniki wykazały, że żywotność SH-SY5Y pozostała niezmieniona, ale równolegle aktywność metaboliczna komórek zmniejszała się wraz z czasem trwania OGD. Po 24h RO nie zaobserwowano powrotu do pełni aktywności metabolicznej. Komórki poddane OGD wykazywały wyższą deformowalność niż komórki kontrolne. Zwiększenie deformowalności komórek było silnie obecne w komórkach już po godzinnym OGD, a w warunkach 24h RO deformowalność komórek była na poziomie deformowalności komórek kontrolnych.
Drugi model, oparty na mysich pierwotnych neuronach hipokampa, które były komórkami traktowanymi w warunkach OGD przez 1 i 3 godziny, wykazał znaczne zmniejszenie przeżywalności komórek podczas przedłużonej ekspozycji na OGD i reoksygenacji. Badania AFM, analogicznie do modelu SH-SY5Y, wykazały zwiększoną deformowalność komórek. Analiza za pomocą mikroskopu konfokalnego potwierdziła zaburzenia w organizacji sieci aktynowej oraz utratę integralności mikrotubul. Dodatkowo analiza mikroreologiczna potwierdziła zmiany we własnościach lepkich neuronów, korelujące z czasem trwania OGD.
Zmiany właściwości nanomechanicznych obu modeli komórkowych przypisano przebudowie różnych składników cytoszkieletu. Zrozumienie przebudowy cytoszkieletu opierało się głównie na odpowiedzi cytoszkieletu aktynowego i jego regulacji przez białko związane z aktyną, kofilinę. W postaci aktywnej (nieufosforylowanej) kofilina odpowiada za przecięcie, zarodkowanie i rozgałęzienie cytoszkieletu aktynowego. Zastosowane modele w różny sposób reagują na warunki OGD. W komórkach SH-SY5Y za zmianę właściwości nanomechanicznych odpowiedzialny jest głównie spadek polimeryzacji aktyny. Aktywność kofiliny odgrywa rolę kompensacyjną w przedłużonej ekspozycji. W modelu neuronalnym aktywność kofiliny wzrasta, istnieje jednak wiele innych mechanizmów modulacji aktywności cytoszkieletu, w tym reorganizacja mikrotubul oraz wzrost objętości komórek (tzw. cell swelling). Przedstawione badanie pokazuje znaczenie nanomechaniki w badaniach nad procesami patologicznymi związanymi z niedokrwieniem, takimi jak udar.Stroke is one of the leading causes of death in people over 40. Stroke is one of the leading causes of death over the age of 40. In terms of etiology, it can be divided into hemorrhagic and ischemic stroke, accounting for the vast majority of cases (about 90%). An ischemic stroke occurs when blood clots or other particles block a blood vessel's lumen, depleting supplies of fresh blood. Currently, pharmacotherapy of stroke uses drugs to dissolve the clot (recombinant tissue plasminogen activator) and restore blood flow. Despite many clinical trials and potential cures, there is still no effective therapy to protect neurons from death.
Examination of alterations in nanomechanical properties of nervous tissue and individual cells might shed light on mechanisms engaged in pathological changes present in cells during stroke exposure and understand molecular processes lying behind them. Combined atomic force microscopy (AFM) techniques, confocal microscopy, and metabolic activity analysis were applied to estimate and explain alterations in the nanomechanical properties of cells subjected to oxygen and glucose deprivation (OGD).
First, the changes in the nanomechanical properties of human neuroblastoma SH-SY5Y cells exposed to OGD for 1, 3, and 12h were evaluated directly after OGD and after 24h of re-oxygenation (RO). Obtained results showed that the viability of SH-5YSY cells remained unchanged, but, in parallel, the metabolic activity of these cells decreased with OGD duration. 24h RO did not recover the metabolic activity fully. Cells subjected to OGD expressed higher deformability than control cells. Cell softening was strongly present in cells after 1h of OGD and with longer OGD duration, and in RO conditions, cells recovered their mechanical properties. Next, mice primary hippocampal neurons were exposed to OGD conditions for 1 and 3h. The results revealed a significant decrease in cell survival during prolonged OGD exposure and re-oxygenation. AFM-based assessment of nanomechanical and microrheological properties of neurons showed the increased deformability of neurons and a shift in transition frequency, suggesting alterations in the cytoskeleton and cytoplasm ion equilibrium. Confocal images confirmed disturbances in actin network organization and loss of the integrity of microtubules. Additionally, microrheological analysis confirmed alterations in a viscous component of nanomechanical properties of neuronal cell cultures, which correlated with OGD duration.
Changes in the nanomechanical properties observed for both cell types were attributed to the remodeling of various cytoskeleton components. Understanding of cytoskeleton remodeling was mainly based on the response of actin cytoskeleton and their regulation via actin-associated protein, cofilin. In active form (unphosphorylated), cofilin is responsible for the actin cytoskeleton severing, nucleation, and branching. Each studied cell type responded differently to OGD conditions. In neuroblastoma SH-SY5Y cells, mainly a decrease in actin polymerization is responsible for the alteration in the nanomechanical properties of these cells. Cofilin activity plays a compensatory role in prolonged exposure. In the case of neurons, the cofilin activity increases, which pointed to other mechanisms of cytoskeleton activity modulation, including microtubule re-organization, and cytotoxic cell swelling. The presented study shows the importance of nanomechanics in research on ischemic-related pathological processes such as stroke.13
Data obtained in the framework of the "Implementation of activities described in the Roadmap to Fusion during Horizon 2020 through a Joint programme of the members of the EUROfusion consortium — EUROfusion" project at the Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) in 2022
No full textThis work has been carried out within the framework of the EUROfusion Consortium and has received funding from the Euratom research and training programme 2014-2018 under grant agreement No. 633053.1. Zestaw danych TLD_MCP_Neutron_DD_DT_TH_Low_Doses_Calibration zawiera zintegrowane dane z krzywych termoluminecencyjnych detektorów MCP-7 i MCP-N kalibrowanych w polu neutronów z reakcji deuter-deuter i deuter-tryt w polu promieniowania tokamaka JET oraz w polu neutronów termicznych. 2. Zestaw danych JET_D-D_C38 zawiera widma promieniowania gamma folii dozymetrycznych napromieniowanych w czasie kampanii C38 w tokamaku JET. 3. Zestaw danych do raportu EFDA_D_2Q7VLF zawiera dane liczbowe na podstawie których zostały wykonane wykresy funkcji w raporcie "Final Report on Deliverable Update of the mechanical analysis of the TF WP#4" numer EFDA_D_2Q7VLF dla projektu Eurofusion WPMAG. 4. Zestaw danych Results_of_simulations zawiera dane, na podstawie których sporządzono wykresy w raporcie MAG-T.01.04-T007-D005 "EU-CN: IPPLM Analysis of experimental results of quench test" (EFDA_D_2PG8C7). 5. Zestaw danych obliczeniowych wykonanych w ramach projektu Enabling Research ENR-TEC.01.IPPLM. Pliki zawierają dane dotyczące produkcji protonów w wyniku naświetlania neutronami w konwerterze (PE lub PLX) oraz propagacji protonów w wybranych mieszankach gazowych. Dane uzyskane przy pomocy programu SRIM oraz kodu MCNP6. 6. Zestaw danych obliczeniowych wykonanych w ramach projektu WPENS Early Neutron Source dla modułu STUMM. Pliki zawierają dane grzania jądrowego w obszarze containera modułu testowego STUMM w czasie pracy źródła IFMIF-DONES dla róznych wielkości siatek mesh. Dane posłużyły do optymalizacji analiz cieplno-przepływowych dla modułu STUMM. Dane uzyskane za pomocą kodu MCNP6.1. Data set TLD_MCP_Neutron_DD_DT_TH_Low_Doses_Calibration contains integrated data from thermoluminescence curves of MCP-7 and MCP-N detectors calibrated in the neutron field from the deuterium-deuterium and deuterium-tritium reaction at the JET tokamak and at the thermal neutron field. 2. Data set JET_D-D_C38 dataset contains gamma spectra (N(E)) of dosimetric foils irradiated during the C38 campaign in the JET tokamak. 3. Data set for report EFDA_D_2Q7VLF contains numeric data which were used for generating the function plots for the deliverable "Final Report on Deliverable Update of the mechanical analysis of the TF WP#4" EFDA_D_2Q7VLF in the scope of the Eurofusion WPMAG work package. 4. Data set Results_of_simulations contains the data from which the graphs in report MAG-T.01.04-T007-D005 "EU-CN: IPPLM Analysis of experimental results of quench test" (EFDA_D_2PG8C7) were created. 5. A set of calculation data obtained in the framework of the Enabling Research ENR-TEC.01.IPPLM project. The files contain data on proton production by neutron irradiation of the converter (PE or PLX) and proton propagation in selected gas mixtures. Data obtained using the SRIM program and the MCNP6 code. 6. A set of computational data obtained in the framework of the WPENS Early Neutron Source work package for the STUMM module design. The files contain data on nuclear heating in the container area of the STUMM test module during the operation of the IFMIF-DONES source for various mesh sizes. The data were used to optimize the heat-flow analyzes for STUMM. Data obtained using the MCNP6 code.Komisja Europejska;
Ministerstwo Edukacji i Nauki63305
Application of the 9.4T MRI system with a cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis
No full textPraca doktorska opisuje zastosowanie różnorodnych technik badawczych na systemie do obrazowania magnetyczno-rezonansowego (MR) w polu 9,4T w celu badań procesów demielinizacji w modelu mysim stwardnienia rozsianego (łac. sclerosis multiplex, SM).
Wiele istniejących chorób neurologicznych jest obecnie diagnozowanych w późnych stadiach rozwoju. Spowodowane jest to brakiem metod umożliwiających diagnozę na wczesnym, pre-symptomatycznym etapie co pozwoliłoby na efektywne leczenie. Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang. MRI) dostarcza wysokiej jakości obrazów z bardzo dobrym kontrastem tkanek miękkich dzięki różnicy w czasach relaksacji pomiędzy tkankami co związane jest z ich różnym składem chemicznym. Ponieważ SM powoduje zmiany w ilości i strukturze mieliny (główny składnik istoty białej), obrazowanie magnetyczno-rezonansowe potencjalnie mogłoby wykryć te zmiany bazując na pomiarach zmian czasów relaksacji a w konsekwencji umożliwić wczesną diagnozę tej groźnej i do tej pory nieuleczalnej choroby.
Do skutecznego obrazowania mieliny, a stąd diagnozy SM, potrzebny jest jednak odpowiedni kontrast pomiędzy białą a szarą istotą. Niestety czasy relaksacji istoty białej i szarej, w szczególności czas T2, są bardzo krótkie i porównywalne ze sobą co powoduje trudności natury technicznej w ich obrazowaniu i zróżnicowaniu na uzyskanych obrazach MR. Dlatego, aby otrzymać najwyższy możliwy kontrast, wymagany jest bardzo dobry stosunek sygnału do szumu (ang. SNR) oraz właściwa i zoptymalizowana sekwencja impulsowa. W pracy zastosowany został system do obrazowania oparty o magnes nadprzewodzący o natężeniu pola magnetycznego 9,4T wyposażony w cewkę kriogeniczną. Tak wysokie pole oraz chłodzona cewka pozwoliły na otrzymanie maksymalnego sygnału i stąd maksymalnej rozdzielczości obrazu. W celu pomiarów krótkich czasów relaksacji T2 mieliny badane były sekwencje obrazujące oparte o echo spinowe (SE) oraz dwu- i trójwymiarowe sekwencje tzw. ultra short echo time (UTE). W dalszej kolejności zastosowana została sekwencja inversion recovery ultra short echo time (IR-UTE), która dodatkowo wprowadziła ważenie czasem T1.
Wyniki badań pokazały, że technika obrazowania IR-UTE pozwala na pomiary czasów relaksacji T1 i T2 mieliny w modelu zwierzęcym ale nie umożliwia obrazowania wielowarstwowego in vivo ze względu na długi czas pomiaru. Dlatego została także przetestowana sekwencja o nazwie “segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE)”, która pozwoliła na otrzymanie wysokiej jakości obrazów 3D istoty szarej i białej w akceptowalnym dla badań czasie akwizycji. Co więcej, testowane były różnego typu impulsy selektywne radiowej częstości (rf), np. Version S, Mao oraz Levitt-Freeman, które pozwalają na odpowiednie ogniskowanie magnetyzacji w niejednorodnym polu B0 generowanym przez magnes i podatność magnetyczną próbki oraz w niejednorodnym polu B1 produkowanym przez cewkę powierzchniową użytą w badaniach. Impulsy te pozwalają na zmniejszenie artefaktów związanych z echami stymulowanymi.
Badania in vivo poprzedzone były badaniami fantomów w celu znalezienia optymalnych parametrów sekwencji, kształtu impulsu rf oraz odpowiedniego ułożenia cewki powierzchniowej. Wyniki badań in vivo zostały potwierdzone badaniami ex vivo MRI o wysokiej zdolności rozdzielczej oraz badaniami histopatologicznymi.
Do badań zmian zawartości mieliny zastosowany został kupryzonowy model MS, w którym zmiany w istocie białej odzwierciedlają zmiany występujące u człowieka. W wyniku prac otrzymane zostały trójwymiarowe obrazy mózgu przy użyciu zoptymalizowanych sekwencji IR-UTE oraz MP-RAGE, które umożliwiły detekcję mieliny i jej zaniku. Następnie zostały obliczone średnie wartości sygnału w wybranych obszarach mózgu reprezentujących szarą i białą materię oraz płyn mózgowo-rdzeniowy. W celu kwantyfikacji wyników wykonano histogramy różnych warstw mózgu u myszy zdrowych i poddanych diecie kupryzonowej. Histogramy pokazały, że zawartość mieliny w ciele modzelowatym i korze mózgowej jest statystycznie różna u zwierząt chorych w porównaniu z grupą kontrolną. Wyniki badań pokazały, że zastosowane metody obrazowania (IR-UTE oraz MP-RAGE) z użyciem krio-cewki w polu 9,4T uwidaczniają kontrast pomiędzy białą i szarą materią, przewyższając obecne metody oceny demielinizacji w mózgu mysim in vivo.
Cele pracy były następujące: 1) ocena wartości badawczej obrazowania magnetyczno- rezonansowego w wysokim polu magnetycznym mikrostruktur mózgu zawierających rożne ilości mieliny w modelu mysim MS; 2) zbadanie czy obrazowanie rezonansowe w wysokim polu magnetycznym przy użyciu krio-cewki oraz odpowiednich sekwencji impulsowych może pokazać uszkodzenia mieliny występujące w kupryzonowym modelu zwierzęcym MS. Cele te zostały osiągnięte i wyniki pokazały, że zoptymalizowany system pracujący w polu 9.4T, może istotnie być użyty do oceny ubytków w zawartości mieliny w mózgu myszy w modelu zwierzęcym MS. Wyniki pokazują potencjał zastosowania zaproponowanych metod obrazowania MR w przyszłych badaniach klinicznych stwardnienia rozsianego.
Wszystkie badania na zwierzętach zostały przeprowadzone za zgodą Komisji Etyki.The thesis contains description of the application of the 9.4T MRI system using various pulse sequences and a radiofrequency (rf) cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis (MS).
Many neurodegenerative diseases, among them MS, are currently diagnosed in late stage due to the lack of proper technique that could enable pre-symptomatic diagnosis, hence efficient treatment. MRI provides superior contrast that depends not only on tissue density and water content but on tissue relaxation times, hence their chemical composition. Because MS is associated with changes in myelin (the major part of white matter) structure and its content, MRI could potentially detect these alterations based on relaxation measurements providing early MS diagnosis. However, for efficient imaging of myelin, and thus potential detection of MS, high contrast between white matter (WM) and gray matter (GM) is needed. Unfortunately, their relaxation times (in particular T2) are short and comparable to each other, causing difficulties in their differentiation. Furthermore, very short T2 of myelin makes its direct visualisation difficult. Therefore, to obtain maximum contrast, high signal-to-noise ratio (SNR), a proper and optimal pulse sequence must be selected. We applied the 9.4T MRI system equipped with a cryo-coil for maximum sensitivity hence image resolution. To detect short T2 values of myelin we investigated application of spin echo (SE) based and ultra short echo time (UTE) pulse sequences. To further enhance capability of the method to detect myelin we applied the inversion recovery UTE (IR-UTE) pulse sequence with non-selective inversion rf pulse to provide additional T1 weighting.
The studies showed, the IR-UTE pulse sequence is indeed suitable for T1 and T2 myelin measurements in the animal model, but it requires long acquisition time for multi-slice MRI. Therefore, we applied the segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE) pulse sequence that provided high quality 3D images of white and gray matter. Furthermore, we also investigated refocusing efficacy of various types of selective rf pulses, such as Version S, Mao and Levitt-Freeman. These pulses allow improved spin refocusing in inhomogeneous B1 produced by the surface RF coil and inhomogeneous B0 generated by the magnet and susceptibility of samples, hence avoiding artifacts caused by stimulated echoes.
In vivo experiments were preceded with phantom studies to find the optimal parameters of the pulse sequences, shape of the rf pulse and rf coil configuration. The in vivo results were confirmed with high resolution ex vivo MRI and with histopathology.
A cuprizone mouse model of MS was used to mimic myelin lesions (demyelinisation) occurring in MS patients. The 3D MR images of the brain were obtained using the IR-UTE and MP-RAGE pulse sequences with optimized parameters for myelin detection and changes of its content. The average signal intensities of different brain regions representing white matter (WM), gray matter (GM) and cerebrospinal fluid (CSF) were calculated. To quantify the results, histograms of different slices in control and cuprizone treated animals were calculated. The histograms showed differences in the control and cuprizone treated animals, in particular, they showed that loss of myelin in the corpus callosum (cc) and cerebral cortex was statistically significant between healthy and cuprizone-treated animals. We concluded that the application of the IR-UTE and MP-RAGE methods provided excellent WM/GM contrast improving the current assessment of demyelination in a mouse brain in vivo.
The aim of the thesis was to: 1) assess the capability of high field MRI to image brain microstructures containing various amount of myelin in the mouse brain; 2) investigate if high field MRI can be optimized to assess myelin lesions occurring in the cuprizone mouse model of MS. These aims were accomplished and the thesis results show that the 9.4T MRI system, when the cryo-coil is used and the pulse sequences are optimized, can be indeed used to asses myelin losses in the animal model of MS, showing potential for future clinical applications of the proposed method for MS diagnosis.
All animal experiments were approved by the local Ethical Committee.8
Synteza i badanie własności analogów błękitu pruskiego o zredukowanej wymiarowości
No full textMagnetyki molekularne cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem wśród badaczy, głównie ze względu na ich wielofunkcyjny charakter. Posiadają znaczący potencjał aplikacyjny w ogniwach paliwowych, układach kwantowych w funkcji zaworów spinowych, czy zastosowaniach biomedycznych jako nośniki leków czy markery różnych substancji. Jedną z wiodących grup materiałów będących magnetykami molekularnymi są analogi błękitu pruskiego. Cechują się one stosunkowo prostą strukturą krystaliczną, a ponadto mogą być syntetyzowane przy użyciu wielu technik.
W niniejszej rozprawie zostały opisane procesy syntezy i analiza właściwości fizykochemicznych dwóch rodzin analogów błękitu pruskiego. W pierwszej części skupiono się na błękicie pruskim Fe4[Fe(CN)6]3 i jego analogu Fe3[Cr(CN)6]2, które zostały uzyskane w postaci warstw oraz nanorurek z wykorzystaniem metody elektrochemicznej redukcji. Zostały scharakteryzowane zarówno związki jednofazowe jak i próbki dwuskładnikowe. Druga część dotyczy związków o ogólnym wzorze Ni3[Fe(CN)6]x[Cr(CN)6]2−x, które zostały uzyskane w postaci proszków, dwóch rodzajów warstw (wykorzystując podłoże PET−ITO oraz Nafion®) i nanocząstek. W tym celu zastosowano techniki szybkiego strącania, wielosekwencyjnej adsorpcji, wymiany jonowej oraz syntezy z wykorzystaniem polimeru PVP.
Do charakteryzacji uzyskanych próbek wykorzystano następujące techniki badawcze: skaningową mikroskopię elektronową (SEM), mikroskopię sił atomowych (AFM), spektroskopię w zakresie podczerwieni (FTIR), dyfrakcję rentgenowską (XRD), dynamiczne rozpraszanie światła widzialnego (DLS) oraz magnetometrię z wykorzystaniem magnetometru typu MPMS SQUID.
Przedstawiona analiza pokazała, że możliwe jest zaprojektowanie i wytworzenie układów o dobrze określonej stechiometrii i oczekiwanych własnościach fizykochemicznych. Dotyczy to zarówno próbek jedno- jak i wielofazowych i może być realizowane przez dobór odpowiednich warunków syntezy. Ponadto możliwe jest oszacowanie udziału procentowego poszczególnych faz magnetycznych w układach wielofazowych, bazując na danych magnetycznych, nawet w przypadku, gdy nie jest możliwa analiza pierwiastkowa innymi metodami.Molecular magnets attract considerable interest among researchers in recent years, mainly due to their multifunctional nature. They have significant application potential in fuel cells, quantum systems as spin valves, or biomedical applications as drug carriers or markers of various substances. One of the leading molecular magnetic material groups is Prussian blue analogs. They are characterized by a relatively simple crystal structure and can be synthesized using a variety of techniques.
This dissertation describes the synthesis processes and analysis of the physicochemical properties of two families of Prussian blue analogs. The first part focuses on Prussian blue Fe4[Fe(CN)6]3 and its analog Fe3[Cr(CN)6]2, which were obtained in the form of films and nanotubes using an electrochemical reduction method. Both single-phase compounds and two-component samples have been characterized. The second part concerns compounds with the general formula Ni3[Fe(CN)6]x[Cr(CN)6]2−x, which were synthesized in the form of powders, two types of films (using PET−ITO and Nafion® substrates) and nanoparticles. For this purpose, rapid precipitation, multi-sequential adsorption, ion exchange and synthesis techniques using PVP polymer were used.
The following research techniques were used to characterize the obtained samples: scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), dynamic light scattering (DLS), and magnetometry using an MPMS SQUID-type magnetometer.
The presented analysis showed that designing and producing systems with well-defined stoichiometry and expected physicochemical properties is possible. This applies to both single- and multiphase samples and can be realized by selecting appropriate synthetic conditions. In addition, it is possible to estimate the percentage of individual magnetic phases in multiphase systems based on magnetic data, even when elemental analysis by other methods is not possible.12
Skorelowany czasowo zapis sygnału detekcji cząstek rejestrowanych w dwóch detektorach pracujących układzie TOF
No full textZbiory danych zgromadzonych podczas pomiarów testowych układu detektorów czasu przelotu, odczytywane i zapisywane w 2 (lub w niektórych przypadkach 4) kanałach, na które podawany był sygnał zbiorczy pochodzący z 4 krzemowych fotopowielaczy dla każdego z detektorów. Kodowanie zapisu zgodne ze standardem oscyloscopu LeCroy Wavesurfer w kodowaniu plików typu *.trc, zawierających w sobie przebiegi zapisanych syngałów.
Dane udostępnione ze względu na wymóg projektu Miniatura-4.Narodowe Centrum Nauki2020/04/X/ST2/0187
Complexity characteristics of punctuation usage patterns in written language
No full textJęzyk naturalny posiada szereg specyficznych cech, które pozwalają traktować go jak układ złożony. Ma on skomplikowaną, hierarchiczną organizację, a właściwości i oddziaływania charakterystyczne dla poszczególnych jego struktur niekoniecznie wynikają wprost z właściwości elementów składających się na te struktury. Tematem pracy jest badanie tych aspektów organizacji języka naturalnego, które w użyteczny sposób można opisywać za pomocą formalizmu stosowanego do opisu układów złożonych. Przedmiotem analizy jest język w formie pisanej - którego próbkę stanowią teksty literackie w kilku językach europejskich (angielskim, niemieckim, francuskim, włoskim, hiszpańskim, polskim i rosyjskim). Pierwszą badaną kwestią są rozkłady potęgowe opisujące częstość występowania słów w tekstach oraz wpływ, jaki na kształt tych rozkładów ma uwzględnienie częstości występowania znaków interpunkcyjnych. Kolejnym zagadnieniem jest reprezentacja tekstów w postaci szeregów czasowych, skonstruowanych w oparciu o podział na zdania lub na fragmenty pomiędzy kolejnymi znakami interpunkcyjnymi. Okazuje się, że szeregi te posiadają cechy często spotykane w sygnałach generowanych przez układy złożone - obecność korelacji długozasięgowych i związanych z nimi odpowiednich struktur fraktalnych lub multifraktalnych. Co więcej, analiza podziału tekstów na fragmenty wyznaczone przez interpunkcję pozwala zaobserwować, że odległości pomiędzy kolejnymi znakami interpunkcyjnymi można opisać za pomocą dyskretnego rozkładu Weibulla; stanowi to pewną statystyczną prawidłowość, której podlegają teksty we wszystkich przebadanych w pracy językach. Ostatnia część rozprawy poświęcona jest sieciom lingwistycznym (sieciom złożonym reprezentującym wybrane aspekty organizacji języka) i koncentruje się na sieciach sąsiedztwa słów - których struktura odzwierciedla współwystępowanie słów w tekstach. Rezultaty badania sieci sąsiedztwa słów wskazują, że wielkości charakteryzujące takie sieci mogą być wykorzystywane do klasyfikacji tekstów, na przykład w rozpoznawaniu autorstwa. Dodatkowo, metody analizy sieci zostały zastosowane do sieci lingwistycznych innego typu, konkretnie do tak zwanych sieci skojarzeń pomiędzy słowami, skonstruowanych w oparciu o dane pochodzące z odpowiednich eksperymentów psycholingwistycznych. W sieciach tych zostały zidentyfikowane złożone struktury, istotnie różne od tych, które można zaobserwować w sieciach przypadkowych. We wszystkich przeprowadzonych analizach dotyczących języka pisanego kluczowym zagadnieniem jest interpunkcja i jej wpływ na mierzalne cechy języka. W analizie częstości występowania słów znaki interpunkcyjne są traktowane jak słowa, co prowadzi do zwiększenia zgodności rozkładu częstości z rozkładem potęgowym, określonym prawem Zipfa. Wzięcie pod uwagę interpunkcji w sieciach sąsiedztwa słów dostarcza użytecznej informacji, której uwzględnienie istotnie poprawia efektywność identyfikacji cech rozróżniających teksty. Z rezultatów analizy szeregów czasowych wynika, że organizacja, jaką do języka wprowadza interpunkcja, ma zarówno właściwości w znacznym stopniu uniwersalne (wspólne dla różnych tekstów), jak i pewne cechy charakterystyczne dla poszczególnych tekstów - na przykład dla tekstów w konkretnym języku.Natural language has a number of features that allow it to be treated as a complex system. It has a complicated, hierarchical organization, and the properties and interactions appearing in its structures might not be directly deducible from the properties of the elements of which these structures are built. The subject of this thesis is the study of several aspects of natural language organization, namely the ones that can be characterized with the use of the formalism commonly applied in research on complex systems. The study focuses on written language, in the form of literary texts in several European languages (English, German, French, Italian, Spanish, Polish and Russian). The first part of the analysis discusses power-law distributions describing word frequencies in texts and investigates how the shapes of these distributions are changed when the frequencies of punctuation marks are taken into consideration. The next part focuses on representing texts in the form of time series constructed on the basis of text's partition into sentences or into pieces between consecutive punctuation marks. It turns out that these series have features often found in signals generated by complex systems - the presence of long-range correlations along with fractal or multifractal structures. Moreover, the analysis of the partition of texts into pieces determined by punctuation allows to observe that the distances between consecutive punctuation marks can be described using the discrete Weibull distribution; this can be considered a statistical regularity that applies to texts in all the languages studied in the thesis. The last part of the dissertation is devoted to linguistic networks (networks representing selected aspects of language organization) and focuses on word-adjacency networks - whose structure reflects the co-occurrence of words in texts. The results of word-adjacency network analysis indicate that the quantities characterizing such networks can be used for the classification of texts, for example in authorship attribution. In addition, methods routinely used in research on complex networks have been applied to linguistic networks of a different type, namely the so-called word-association networks, which are constructed on the basis of data collected in certain psycholinguistic experiments. This has allowed to reveal complex structures, significantly different from those observed in random networks. In all of the presented analyzes pertaining to written language, punctuation and its impact on the measurable traits of language is the key issue. In the analysis of word frequency distributions, punctuation marks are treated as words - this leads to a better agreement between the observed distributions and power-law distributions proposed by Zipf's law. Introducing punctuation into word-adjacency networks provides valuable information which can be used to significantly improve the effectiveness of identifying features distinguishing one text from another. The results of time series analysis show that the organization that punctuation introduces into language has both largely universal properties (common to many different texts) and certain features characteristic of particular texts - for example, texts in a specific language.15
Badanie doświadczalne i analiza modelowa absorpcji wodoru w stopach LaNi5–xPbx, x = 0.1, 0.2, 0.25
No full textWspółczesna energetyka wodorowa zmaga się z problem efektywnego i bezpiecznego magazynowania wodoru. Jedną z bezpieczniejszych i wydajniej¬szych metod składowania wodoru jest umieszczenie go w strukturze ciał stałych, w szczególności w formie wodorków metali lub stopów między¬metalicznych [1].
Najbardziej znanym i szeroko stosowanym w tym celu jest stop LaNi5 [2].
Modyfikacja właściwości absorpcyjnych tego stopu odbywa się na drodze utworzenia trójskładnikowych stopów powstałych w wyniku zastąpienia części atomów Ni innymi atomami np. Al, Sn, Co, Mn [3]. W niniejszej pracy przebadany został roztwór podstawieniowy powstały w wyniku substytucji atomów niklu Ni atomami ołowiu Pb, o większym promieniu atomowym (rPb = 1.80 Å, rNi = 1.63 Å) [4]. Na drodze wytopu łukowego otrzymano jednofazowe stopy o stechiometriach LaNi4.9Pb0.1, LaNi4.8Pb0.2, LaNi4.75Pb0.25. Badane fazy, za wyjątkiem ostatniej [5], praktycznie nie występują w literaturze.
Jak wykazano w pracy, częściowa substytucja atomów Ni atomami Pb w badanych stopach ma charakter preferencyjny. W zakresie niskiego domieszkowania zastępowane są atomy Ni w pozycji 2c, a następnie przy wyższych koncentracjach xPb >0.1 atomy w pozycji 3g. Wprowadzenie atomów Pb o większych promieniach atomowych zmienia właściwości krystalo¬graficzne stopów. W całym zakresie domieszkowania obserwowany jest wzrost objętości V komórki elementarnej, który powyżej koncentracji domieszki ołowiu xPb > 0.1 nie kompensuje efektu redukcji promienia tetraedrycznych przestrzeni międzywęzłowych rt [6]. Struktura krystaliczna w znaczącym stopniu wpływa na właściwości absorpcyjne wodoru w tych stopach.
Wszystkie stopy pochłaniają wodór przy ciśnieniach powyżej ciśnienia absorpcji związku bazowego LaNi5 oraz poniżej 10 bar. Maksymalna zdolność absorpcji wodoru cmac maleje wraz ze wzrostem domieszkowania ołowiem, osiągając nieznacznie powyżej 1.0 wt.% dla wodorku LaNi4.75Pb0.25 w tem¬peraturze 323 K. Przebadanie kinetyki reakcji pozwoliło na wyznaczenie czasów t90 absorpcji i despocji t10 wodoru w badanych stopach oraz określenie dominującego mechanizmu w procesach. Dla wszystkich badanych próbek najlepsze dopasowanie danych kinetycznych otrzymane zostało modelem pierwszego rzędu JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) [7].
Dane izotermiczne pcT posłużyły do opisu zjawiska absorpcji wodoru modelami fizyki statystycznej przy wykorzystaniu wielkiej funkcji rozdziału Zgc [8]. Stąd możliwe było wyznaczenie ewolucji funkcji termodynamicznych entalpii swobodnej Ga, energii wewnętrznej Eint i entropii konfiguracyjnej Sa w zależności od ciśnienia wodoru i temperatury reakcji. Otrzymane wyniki zostały następnie porównane z wodorkami innych związków LaNi4.25Al0.75, LaNi4.5Co0.5, LaNi4.75Sn0.25.The modern hydrogen power industry is struggling with the problem of efficient and safe hydrogen storage. Hydrogen can be stored in solids, in particular in the form of of metal- or intermetallic hydrides [1]. This method meets both requirements of safety and efficiency. The best known and most widely used alloy for this purpose is the LaNi5 [2].
Hydrogen absorption properties of this alloy can be modified by partially substituting Ni atoms with e.g. Al, Sn, Co, or Mn, thus producing the respective ternary alloys (solutions) [3]. In the present work, the basal compound was modified by substituting Ni atoms with lead, whose atomic radius is larger (rPb = 1.80 Å) than that of Ni (rNi = 1.63 Å) [4]. By arc melting of the components, single-phase alloys with the stoichiometries of LaNi4.9Pb0.1, LaNi4.8Pb0.2, LaNi4.75Pb0.25 were obtained. To my knowledge, the phases investigated, with the exception of the last one, LaNi4.75Pb0.25 [5], have not been described in the literature.
It has been shown that, in the phases studied herein, the Pb atoms substitute nickel in a preferential way: in the range of low Pb concentration xPb , Ni atoms in the 2c position are substituted, and only for xPb > 0.1 the substitution affects the 3g position. The presence of Pb atoms with larger atomic radii changes the crystallographic properties of the alloys. Over the whole doping range, we observe the growth of the unit cell volume V , which above the lead concentration of xPb > 0.1 does not compensate the effect of reducing the radius of the tetrahedral interstitial spaces rt [6]. The crystal structure significantly affects the hydrogen absorption properties in these alloys.
All alloys under this research are capable of absorbing hydrogen at pressures above the absorption pressure of the base compound LaNi5, and below 10 bar. The maximum hydrogen uptake capacity cmac decreases with increasing Pb concentration, and finally it reaches the value slightly above 1.0 wt.% for the hydride LaNi4.75Pb0.25 at 323 K. The kinetics of the hydrogen absorption and desorption reactions in the investigated alloys were studied with the aim to determine the dominant mechanism of these processes. For all samples studied, the best fit of the kinetic data were obtained with the first-order JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) model [7].
The isothermal pcT data were used to describe the hydrogen absorption phenomenon via the statistical physics models, using the grand canonical partition function Zgc [8]. In this way, it was possible to determine the evolution of the thermodynamic functions of free enthalpy Ga, internal energy Eint and configuration entropy Sa as functions of hydrogen pressure and the reaction temperature. The obtained results were then compared with those of the hydrides of other compounds LaNi4.25Al0.75, LaNi4.5Co0.5, LaNi4.75Sn0.25.15