Реферат Структурная нейтронография
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Институт Физики и Химии МГУ им. Н. П. Огарева
Реферат
на тему: “Структурная нейтронография”
Выполнил:
студент 402 группы
специальность “Физика”
Преподаватель:
Кяшкин В.М.
Саранск
2011
содержание
Возможности метода 2
Теория метода 6
Конструкция нейтронографической установки 11
Методика измерений 12
Приборы для проведения нейтронных исследований 17
Список используемой литературы 24
Возможности метода
Нейтронография[1], метод изучения строения молекул, кристаллов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов. Сведения об атомной и магнитной структуре кристаллов получают из экспериментов по дифракции нейтронов, о тепловых колебаниях атомов в молекулах и кристаллах — из экспериментов по рассеянию нейтронов, при котором нейтроны обмениваются энергией с изучаемым объектом (рассеяние в этом случае называется неупругим). Первые работы в области нейтронографии принадлежат в основном Э. Ферми (1946—48); главные принципы были впервые изложены в 1948 в обзоре американских учёных Э. Уоллана и К. Шалла.
Успешное использование нейтронографии обусловлено удачным сочетанием свойств нейтрона как элементарной частицы. Современные источники нейтронов — ядерные реакторы — дают тепловые нейтроны широкого диапазона энергий с максимумом в области 0,06 eV. Соответствующая этой энергии де-бройлевская длина волны нейтронов (~ 1 А) соизмерима с величиной межатомных расстояний в молекулах и кристаллах, что и делает возможным осуществление дифракции нейтронов в кристаллах; на этом основан метод структурной нейтронографии. Соизмеримость энергии тепловых нейтронов с энергией тепловых колебаний атомов и молекулярных групп в кристаллах и жидкостях обеспечивает оптимальное использование неупругого рассеяния нейтронов в нейтронной спектроскопии. Наличие у нейтрона магнитного момента, который может взаимодействовать с магнитными моментами атомов в кристаллах, позволяет осуществить магнитную дифракцию нейтронов на магнитоупорядоченных кристаллах, что является основой магнитной нейтронографии.
Структурная нейтронография — один из основных современных методов структурного анализа кристаллов (вместе с рентгеновским структурным анализом и электронографией). Геометрическая теория дифракции всех трёх излучений — рентгеновских лучей, электронов, нейтронов — одинакова, но физическая природа взаимодействия их с веществом различна, что определяет специфику и области применения каждого из методов. Рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками атомов, нейтроны (через короткодействующие ядерные силы) — атомными ядрами, электроны — электрическим потенциалом атомов. Вследствие этого структурная нейтронография имеет ряд особенностей. Рассеивающая способность атомов характеризуется атомной амплитудой рассеяния f. Особый характер взаимодействия нейтронов с ядрами приводит к тому, что атомная амплитуда рассеяния нейтронов fн (обычно её обозначают буквой b) для различных элементов (в отличие от f рентгеновских лучей) несистематическим образом зависит от порядкового номера Z элемента в периодической системе. В частности, рассеивающие способности лёгких и тяжёлых элементов оказываются одного порядка. Поэтому изучение атомной структуры соединений лёгких элементов с тяжёлыми является специфической областью структурной нейтронографии. Прежде всего, это относится к соединениям, содержащим легчайший элемент — водород. Рентгенографически и электронографически в некоторых благоприятных случаях удаётся определить положение атомов водорода в кристаллах его соединений с др. лёгкими атомами (с Z £ 30). Нейтронографически определение положения атомов водорода не сложнее, чем большинства других элементов, причём существенная методическая выгода достигается заменой в изучаемой молекуле атомов водорода на его изотоп — дейтерий. С помощью нейтронографии определена структура большого числа органических соединений, гидридов и кристаллогидратов, уточнена структура различных модификаций льда, водородсодержащих сегнетоэлектриков и т.д., что дало ряд новых данных для развития кристаллохимии водорода.
Другая область оптимального использования нейтронографии — исследование соединений элементов с близкими Z (для рентгеновских лучей такие элементы практически неразличимы, так как их электронные оболочки содержат почти одинаковые числа электронов), например соединений типа шпинели MnFe2O4, сплавов Fe—Co—Ni и др. Предельный случай — исследование соединений разных изотопов данного элемента, которые рентгенографически абсолютно неразличимы, а для нейтронов различаются так же, как разные элементы.
При некогерентном неупругом рассеянии нейтроны рассеиваются отдельными ядрами кристалла, однако, вследствие сильной связи ядер в решётке остальные ядра оказывают влияние на рассеяние медленных нейтронов, так что и в этом случае в рассеянии принимает участие весь коллектив частиц. Поэтому такое рассеяние можно также рассматривать как нейтрон-фононное столкновение, при котором, однако, сохраняется лишь энергия сталкивающихся частиц, а их импульс не сохраняется. Эксперименты по неупругому некогерентному рассеянию медленных нейтронов на моно- и поликристаллических образцах позволяют получить фононный спектр кристалла. По сравнению с другими методами (в первую очередь оптическими) нейтронная спектроскопия даёт возможность проводить исследования в широком диапазоне волновых векторов и спуститься до очень малых частот (~20 см-1); кроме того, рассеяние не ограничено в этом случае правилами отбора - в нейтронном эксперименте все колебания активны. Большое сечение некогерентного рассеяния нейтронов протонами делает и в этом случае водородсодержащие соединения хорошим объектом таких исследований. Некоторые сведения могут быть получены и о динамике жидкостей и аморфных тел (времена релаксации, подвижность и так далее).
Метод нейтронографии позволяет решать широкий круг вопросов, относящихся к различным проблемам структуры вещества, например, проводить исследование строения биополимеров, аморфных тел, микроструктуры специальных сплавов, изучать фазовые переходы.
Охарактеризовав возможности метода нейтронографии в целом, более подробно рассмотрим структурную нейтронографию.
Теория метода
Несмотря на большой прогресс в развитии техники, к настоящему времени не создано достаточно надежных и эффективных приборов, позволяющих непосредственно наблюдать расположение отдельных атомов в кристаллической решетке или в молекулах. Самые совершенные электронные микроскопы позволяют наблюдать только очень крупные атомы, например урана или золота, расположенные вблизи более мелких. Наиболее распространенные электронные микроскопы позволяют наблюдать неоднородности с размерами в несколько атомов. Ионные микроскопы (проекторы) хотя и позволяют наблюдать расположение отдельных крупных атомов, но очень сложны в использовании. Точное определение расстояний между атомами или кристаллическими плоскостями этим методом крайне затруднительно. Сегодня самым эффективным методом изучения взаимного расположения атомов является дифракция микрочастиц: фотонов, электронов, нейтронов. Именно этими методами в основном получены данные о структуре кристаллов и молекул. При исследовании кристалла дифракционными методами на кристалл направляют почти параллельный пучок частиц, изучают распределение интенсивности дифракции этих частиц по разным направлениям (а иногда и при различных ориентациях кристалла), а затем по дифракционной картине делают выводы о типе элементарной ячейки кристалла и строении его базиса. Эти методы позволяют определять периоды кристаллической решетки с точностью до 4-5 знака и определять с точностью до 2-3 знака расположение атомов в базисе.
Для наблюдения дифракции необходимо, чтобы длина волны де-Бройля дифрагирующих частиц была соизмерима с периодом кристаллической решетки. Этому условию удовлетворяют фотоны при энергии Е = 5-20 кеV (рентгеновское и гамма- излучение), электроны при Е = 10-100 ev, и нейтроны при Е = 0,01- 0,1 eV (тепловые нейтроны). Именно эти три частицы наиболее часто используются в дифракционных исследованиях кристаллов (Рис.4).
Рис.4. Дифракция нейтронов на кристалле NaCl
Однако дифракция нейтронов на кристаллической решетке обладает существенным отличием от дифракции, например, рентгеновского излучения. Это отличие обусловлено главным образом разной природой рассеивающих центров. Если электромагнитные волны рассеиваются электронными оболочками атомов, то нейтроны, не имеющие заряда, рассеиваются ядрами. Это приводит, во-первых, к тому, что дифракция нейтронов слабо зависит от атомного номера кристалла, а во-вторых, дифракция может иметь особенности, связанные с наличием изотопов в исследуемом образце. Кроме того, наличие магнитного момента у нейтрона делает возможным исследование магнитной структуры исследуемых образцов.
Структурная нейтронография уже давно заняла прочные позиции в ряду других методов изучения кристаллической структуры. Появление в последние годы высоко поточных атомных реакторов, автоматических нейтронных дифрактометров, управляемых ЭВМ, а также комплексов специальных компьютерных программ обработки нейтроно-дифракционных данных необычайно расширило возможности структурной нейтронографии и обусловило резкое возрастание интереса к ней со стороны физиков, химиков, биологов, металлургов. Структурная нейтронография – это метод изучения строения молекул, кристаллов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов. Сведения об атомной и магнитной структуре кристаллов получают из экспериментов по дифракции нейтронов, о тепловых колебаниях атомов в молекулах и кристаллах — из экспериментов по рассеянию нейтронов, при котором нейтроны обмениваются энергией с изучаемым объектом (рассеяние в этом случае называется неупругим). Первые работы в области нейтронографии принадлежат Ферми (1946).
Когерентное и некогерентное рассеяние. Свободная частица, движущаяся в положительном направлении оси z, описывается плоской волной, которую можно описать как ψ=
exp(
ikz), т.е. выберем нормировку, при которой плотность потока в волне равна скорости частицы. Упруго рассеянные частицы описываются вдали от центра рассеяния расходящейся сферической волной вида f=
exp(
ikr)/
r, где f- функция угла рассеяния, которую называют амплитудой рассеяния (иногда величину f называют длиной рассеяния). В случае рассеяния нейтронов величина f складывается из ядерной и магнитной составляющих, связанных с рассеянием нейтронов на ядрах и на магнитных моментах атомов. Ядерная составляющая зависит от структуры атомного ядра и, как правило, оказывается различной для различных изотопов. Магнитная составляющая зависит от ориентации и величины вектора магнитного момента ядра. Поэтому дифракцию нейтронов можно использовать для исследования магнитных моментов ядер в кристаллах.
Точная волновая функция, удовлетворяющая уравнению Шредингера, должна иметь на больших расстояниях следующий вид:
Ψ
=eikr+(f/r)eikr (1)
Отношение вероятности рассеянной частице пройти в единицу времени через элемент поверхности r2
dΩ(Ω - элемент телесного угла) к плотности потока падающей волны называют эффективным дифференциальным сечением рассеяния, которое равно:
dσ=│f│2d Ω (2)
Если рассеяние происходит на системе рассеивающих центров (рис.5), то нетрудно понять, что вместо (1) точная волновая функция, удовлетворяющая уравнению Шредингера и принципу суперпозиции, должна иметь на больших расстояниях следующий вид:
Ψ
=eikx+Σ(fn/│r-rn│)exp{ik│r-rn│} (3)
где rn- координата n-го рассевающего центра, включающая в общем случае и величину его теплового смещения un, rn=
rn(0)+
un, fn - амплитуда рассеяния на n-ом рассевающем центре. При записи формулы (3) мы пренебрегли вторичным рассеянием дифрагированных волн. Понятно, что такое приближение справедливо для не слишком больших геометрических размеров рассеивающей системы и в теории дифракции его обычно называют кинематическим приближением. Предположим, что размеры рассеивающей системы намного меньше расстояния до точки наблюдения рассеянной волны, т.е. │
rn│<<│
r│ и
│r-rn│=
(3)
Тогда соотношение (3) можно записать в виде:
ψ
eikz+(
F
/
r
)
eikr
,
F
=
Σfnexp
{
ik’
rn} (4)
где волновой вектор в направлении рассеянной волны определен как k’=
kr/
r.
Таким образом, сечение рассеяния на системе рассеивающих центров (2) будет иметь вид:
dσ=│F│2dΩ=ΣΣfnfm*exp{-ik(rn-rm)}dΩ (5)
Рис.5. Рассеяние на системе неупорядоченных (a) и упорядоченных (b) рассеивающих центров.
Из последнего соотношения (5) вытекает важное различие в рассеянии на системе неупорядоченных и упорядоченных рассеивающих центров (Рис.2a,b). В неупорядоченной системе в силу случайности разности фаз волн, приходящих в точку наблюдения от различных рассеивающих центров, недиагональные члены в сумме по n и m в (5) исчезнут, и сечение рассеяния будет равно сумме сечений на отдельных рассеивающих центрах:
dσ=Σdσn=Σ│fn│2dΩ (6)
При рассеянии на упорядоченной системе рассеивающих центров недиагональные члены в (5) не исчезают, поскольку разность фаз не принимает случайных значений. сечения рассеяния по тепловым смещениям рассеивающих центров, их спиновым состояниям, изотопному и химическому составу можно записать, что
dσ=dσcoh+dσincoh
dσcoh=Σ<fnexp{-ik’rn}><fm*exp{ik’rm}>d
Ω
dσincoh= Σ[│<fnfm*exp{-ik’(rn-rm)}>│2-<fnexp{-ik’rn}><fm*exp{ik’rm}>]d
Ω
(7)
Первое слагаемое описывает когерентное рассеяние, возникающее, в частности, вследствие периодичности расположения рассеивающих центров. Второе слагаемое dσincoh в (7) описывает так называемое некогерентное рассеяние, сечение которого определяется среднеквадратичной флуктуацией амплитуды рассеяния.
Если предположить, что рассеяние происходит на рассеивающих центрах, имеющих одинаковую природу, то амплитуды рассеяния на них будут отличаться друг от друга лишь фазовым множителем fn=
fexp{
ikrn}(величина exp{
ikrn} - оператор сдвига). Воспользовавшись известным соотношением,
Σ
exp
[
iΔ
k
(
rn
-
rm
)]=((2
π
)3/
V
)Σδ(Δk
-
g
)
получим:
dσ=│f│2((2π)3/V)Σ
δ(Δk-g)dΩ (8)
где g - вектор обратной решетки, Δk=
k-
k’ - переданный импульс, V - объем системы рассеивающих центров. Таким образом, сечение когерентного рассеяния (8) будет отлично от нуля только при определенных направлениях вектора рассеянной волны k’. А именно, максимумы когерентного рассеяния будут наблюдаться в направлениях, для которых величина переданного импульса Δk равна вектору обратной решетки g.
Если в кристаллической ячейке находится несколько атомов с координатами ρ
j, то формула (8) несколько изменяется, а именно:
dσ=│Σfjexp{iexp{iΔkρn}│2((2π)3/V)Σ
δ(Δk-g)dΩ (9)
Величину Σfjexp{
iexp{
iΔkρn}(суммирование осуществляется по ядрам сорта в пределах одной элементарной ячейки) называют структурной амплитудой, квадрат модуля которой определяет интенсивность дифракционных максимумов. Восстановление сорта ядер и их расположения в элементарной ячейке производится по совокупности измеренных значений с помощью обратного преобразования Фурье. Таким образом, по структуре дифракционной картины можно определить обратную решетку кристалла, а по обратной решетке восстановить пространственную структуру исследуемого кристаллического образца. Понятно, что при выводе (7, 8 и 9) мы не учитывали возможность рождения и поглощения квантов тепловых колебаний кристаллической решетки (фононов) при рассеянии в ней нейтронов.
Наличие у нейтрона магнитного момента, который может взаимодействовать с периодически расположенными магнитными моментами атомов в кристаллах, позволяет осуществить магнитную дифракцию нейтронов на магнитоупорядоченных кристаллах, что является основой магнитной нейтронографии.
На рис.6 приведена нейтронограмма (зависимость интенсивности рассеяния нейтронов от угла рассеяния J) поликристаллического образца BiFeO3. Нейтронограмма представляет собой совокупность максимумов когерентного ядерного или магнитного рассеяния на фоне диффузного (некогерентного) рассеяния. Кроме того, соизмеримость энергии тепловых нейтронов с энергией тепловых колебаний атомов и молекулярных групп в кристаллах и жидкостях обеспечивает оптимальное использование неупругого рассеяния нейтронов в нейтронной спектроскопии.
Рис.6. Нейтронограмма поликристаллического образца BiFeO3
Конструкция нейтронографической установки
Рассмотрим общую схему устройства для нейтронографического исследования.
Рис.7. Схема нейтронографической установки для исследования поликристаллических образцов:
1 — система коллимации, формирующая нейтронный пучок;
2 — блок монохроматизации для выделения нейтронов с определённой фиксированной энергией (длиной волны) из сплошного спектра нейтронов ядерного реактора;
3 — нейтронный спектрометр с детектором нейтронов 4 для измерения интенсивности нейтронного излучения под различными углами рассеяния θ.
4 — детектор нейтронов
Исследуемый образец помещается в центре спектрометра.
Методика измерений
Измерение интенсивностей и положений большого числа (102-103) дифракционных максимумов осуществляется с помощью нейтронных дифрактометров. Их разнообразие связано с разными типами нейтронных источников, способами монохроматизации нейтронов и их регистрации. На ядерных реакторах непрерывного действия в основном применяется, так называемый, двухосный дифрактометр (рис. 8, а).
Поиск и измерение обычно осуществляются либо путём малых поворотов исследуемого кристалла (обычно, так называемое, w-сканирование, при котором производится поворот вектора χ(ранее обозначенный как Δ
k) в обратном пространстве, а его длина остаётся неизменной), либо согласованным поворотом кристалла и детектора (w-2θ-сканирование), при котором изменяется длина χ, но не меняется его ориентация (рис. 8.б). Для кристалла единичного объёма интегральная интенсивность рефлекса
I
(
h
,
k
,
l
)=
Φ
0
(
λ
3
/
sin
2
θ
)(│
F
(
h
,
k
,
l
)│2/
Vc
2
)
A
(
λ
,
θ
)
Y
(
λ
,
θ
)
где Ф0 - поток монохроматизированных нейтронов на образце, A и Y - множители, учитывающие поглощение и экстинкцию.
В случае импульсных источников нейтронов (рис. 9.а) на кристалл попадает немонохроматический поток нейтронов (вектор k фиксирован только по направлению) и рассеяние наблюдается при постоянном угле 2ϑ. Вращением кристалла совмещаются только направления векторов H и χ. Детектор регистрирует (разделённые по времени пролёта нейтронов от источника до детектора) дифракционные максимумы отражений от кристаллографических плоскости всех порядков. Интенсивность I измеряется как функция времени пролёта или, что эквивалентно, как функция l нейтронов. При фиксированном положениях кристалла и детектора направление χ в обратном пространстве сохраняется (рис. 9.б), а его длина пробегает интервал Δχ=4π
sinθ(1/λ
max-1/λ
min). При этом интегральная интенсивность рефлекса:
I(h,k,l)=Φ(λ)(λ4/2sin2θ)(│F(h,k,l)│2/Vc2)A(λ,θ)Y(λ,θ)
где F(l) - спектральная плотность потока нейтронов, падающих на образец (ЭВМ управляет положениями образца и детектора и организует накопление и обработку эксперим. данных).
Разрешающая способность нейтронных дифрактометров DH/H ~ 10-2; в дифрактометрах высокого разрешения DH/H ~ 5*10-4. При этом параметры элементарной ячейки кристалла определяются с относит. точностью ~5*10-5 и достигается практически полное разделение упругого и неупругого компонентов в рассеянном нейтронном пучке.
На рис. 10 приведено распределение плотности амплитуды рассеянья r(r) в кристалле KH2PO4 вблизи водородной связи О - H - О. Смещение H (b = - 0,374 ·10-
В виде примера можно разобрать изучение структур NaH и NaD, нейтронограммы которых показаны на рис.11. Из сопоставления интенсивности дифракционных максимумов сразу видно, что Н и D участвуют в дифракции и что у Н и D амплитуды рассеяния имеют разные знаки, так как те пики, которые сильны у NaH, слабы или совсем пропадают у NaD.
Рис.11. Нейтронограммы кристаллов NaH и NaD
Рентгенографически было установлено, что атомы натрия образуют кубическую гранецентрированную решётку, но положение атомов водорода не могло быть определено. Вследствие этого нельзя было сделать выбор между двумя возможными (из числа известных структур кубического гранецентрированного типа) структурами для NaH: структурой NaCl и структурой ZnS.
Исчерпывающие результаты о структуре NaH и о знаках амплитуды рассеяния можно извлечь из рассмотрения теоретически рассчитанных и экспериментально найденных интенсивностей дифракционных максимумов.
Лишь положив fNa и fH разных знаков и предположив для NaH структуру NaCl, мы получим хорошее совпадение экспериментальных и теоретически рассчитанных интенсивностей для всех дифракционных максимумов. При всех других предположениях эксперимент будет расходиться с теорией. Отсюда ясно, что NaH имеет структуру NaCl и фазы рассеяния у Н и D — разных знаков. Следовательно, фазы рассеяния у Na
и D—одного знака. Почти полное исчезновение дифракционных максимумов (200), (220), (222), (400) говорит о том, что амплитуды когерентного рассеяния Na и Н приблизительно равны. Итак, для когерентного рассеяния fNa = —fH
.
Метод кристаллических порошков. Метод кристаллических порошков требует монохроматических нейтронов, поэтому он предусматривает употребление спектрографа с кристаллом-монохроматором. Нейтронограмма получается подсчётом интенсивности нейтронов при различных углах отражения при помощи высокоэффективного счётчика3. Типичные нейтронограммы, полученные с образцов алмаза и алюминия, представлены на рис.12. Диффракционные максимумы располагаются на тех местах, которые диктуются структурой кристаллов и длиной волны нейтронного пучка.
В пределах экспериментальных ошибок диффузное рассеяние у алмаза и алюминия отсутствует. Это даёт возможность сделать заключение о независимости рассеяния нейтронов от спина у этих элементов (алюминий и алмаз почти моноизотопны). Некоторое увеличение диффузного рассеяния при больших углах отражения объясняется температурным эффектом, причём он больше для алюминия, у которого ниже характеристическая температура.
Рис.12. Нейтронограммы алмаза и алюминия
Интерпретация нейтронограмм может быть произведена при помощи уравнения рентгенографии, опуская лишь поляризационный фактор:
(
Phkl
/
P
0
)=(
λ
3
r
/4
πl
)(
hρ
’/
ρ
)(
exp
{-
μh
secθ
}/
sin
2
2
θ
)
jhklF
2
hkl
N
2
где Phkl— полная интенсивность отражения от плоскостей {hkl}, измеренная счётчиком с шириной щели r и расстоянием от образца l. Р0— интенсивность падающего пучка, λ — длина волны нейтронов, р' — плотность порошка, р — плотность сплошного кристалла, е-μ
h — абсорбдионный фактор, θ — угол Вульфа-Брегга, j
hkl— фактор повторяемости, N — число элементарных ячеек в 1см3 кристалла и F
hkl— структурный фактор, который для случая дифракции нейтронов связан с амплитудой рассеяния соотношением F=k
fT (k для разных {hkl} разное). Так как в уравнении не учтена температурная поправка, то для получения f0 надо измеренное значение f
T умножить на температурный фактор f0=
fTeW, где W—функция угла и характеристической температуры.
Расчёт нейтронограмм по написанной формуле проводится следующим образом:
1) по всем данным эксперимента определяется F—структурный фактор;
2) зная F, по формуле F=kf
T определяется f
T;
3) по формуле f0=
fTeW определяется f0.
Из уравнения σ=4π│
f0│2 можно найти σког=σкр
Расчёт нейтронограммы алюминия приведён в таблице II.
Приборы для проведения нейтронных исследований
Разработка, совершенствование и использование новых материалов составляет основу развития человеческой цивилизации. Подтверждением тому являются названия больших временных периодов ее развития: каменный, бронзовый, железный века. Собственно, эта ситуация не изменилась и сейчас. Успех в разработке и создании новых материалов и их скорейшее внедрение в практическое использование определяет рейтинг человеческих сообществ (государств) в современной жизни.
Наше время характеризуется разработкой большого числа новых материалов (последними примерами тому являются высокотемпературные сверхпроводники, материалы с колоссальным и гигантским эффектом магнитного сопротивления, фуллерены и их производные, наноматериалы, фармакологические препараты различного назначения) и многочисленных технологий их производства и использования. В свою очередь, это обстоятельство стимулирует разработку новых методов исследования и модернизацию существующих; естественно, при этом огромное внимание уделяется так называемым методам неразрушающего контроля на основе проникающих излучений.
Нейтронные методы во многих случаях имеют принципиальное преимущество перед рентгеновскими, что делает оправданным строительство новых дорогостоящих высокопоточных источников нейтронов. Это определяется рядом уникальных свойств нейтронного излучения:
- высокая проникающая способность позволяет проводить исследования материалов при экстремальных воздействиях на них;
- сопоставимость длины волны в области тепловых энергией с межатомными расстояниями дает возможность исследования пространственного распределения и динамических характеристик атомов в среде;
- наличие магнитного момента у нейтрона дает уникальные возможности исследования магнитноактивных сред;
- отсутствие систематической зависимости когерентного сечения рассеяния от атомного номера элементов - это уникальная возможность исследования материалов, содержащих и легкие, и тяжелые атомы;
- различие когерентных сечений рассеяния разных изотопов позволяет не только различать в материале элементы с близкими атомными номерами, но и исследовать их изотопный состав;
- наличием изотопов с отрицательной амплитудой когерентного рассеяния дает уникальную возможность контрастирования исследуемых сред, что очень часто используют в биологии и медицине.
На февраль 2011 года запланирован физический пуск исследовательского нейтронного реактора ПИК под Петербургом, строительство которого началось более 30 лет назад.
В его лабораториях для исследований по физике конденсированных сред предлагают следующую схему размещения экспериментального оборудования:
Нейтронные дифрактометры:
D1- суперпозиционный многосекционный порошковый дифрактометр (4 секции, 48 детекторов) высокого разрешения,
D3- многодетекторный порошковый дифрактометр (1 банк, 48 детекторов),
D5- четырехкружный монокристальный дифрактометр на тепловых нейтронах,
D6- четырехкружный монокристальный дифрактометр на поляризованных нейтронах (горячий источник),
D7- резервное место для четырехкружного дифрактометра Института Кристаллографии РАН на горячем источнике.
Спектрометры:
IN1-трехосный кристаллический спектрометр тепловых нейтронов,
IN3- трехосный кристаллический спектрометр на поляризованных нейтронах "СПИН",
MTF(IN4)- многороторный спектрометр по времени пролета.
Рассмотрим более подробно эту приборную базу.
1. Суперпозиционный многосекционный порошковый дифрактометр высокого разрешения
Состав дифрактометра:
1 - узел образца,
2 - блок контроля угловых положений детекторных секций,
3 - соединительные тяги между детекторной секцией и угловым датчиком,
4 - детекторная секция с 12 детекторами,
5 - поверхность для перемещения детекторной секции на воздушной подушке,
6 - конструкция для установки на дифрактометре оборудования для задания параметров образца.
Ожидаемые параметры дифрактометра:
основные элементы, используемые в дифрактометре - фокусирующий суперзеркальный коллиматор, фокусирующий монохроматор, монитор, входной коллиматор, собственно дифрактометр (см. рис.), защита монохроматора, защита дифрактометра, электронное оборудование;
фокусирующий нейтроновод - входное сечение 44x150 мм, выходное сечение 25x120 мм, покрытие - 2qСТ Nin; фокусирующий монохроматор - на основе пластически деформированного Ge, отражения (115), (335), оптимальный режим (557);
угол выхода - 125°;
длины волн - 0,94E, 1,43E (оптимальный режим), 1,8Å;
поток на образце >5x106 н/см2с (оптимальный режим);
детекторная система - 48 3Не детекторов, установленных в 4 секции по 12 детекторов в каждой с 10'-пленочными коллиматорами перед каждым детектором;
минимальный шаг сканирования (2ϑ) - 0,01°;
рабочий шаг сканирования (2ϑ) - 0,05°;
угловой диапазон - 5°<20<170°(Qmax=12,5Å);
рабочий шаг сканирования (2ϑ) - 0,05°;
угловой диапазон - 5°<2ϑ<170° (Qmax=12,5Å), 0,35Å"<8,75Å (оптимальный режим);
диапазон доступных межплоскостных расстояний - 0,5 < 20 Å, 0,7 < 16 Å (оптимальный режим);
расчетное разрешение - Dd\d @ 1,.5x10-3;
сбор данных и управление -PC + электроника в VME стандарте.
2. Многодетекторный порошковый дифрактометр
Предназначен для исследования кристаллической и магнитной структуры поликристаллических образцов.
Состав дифрактометра:
1 - криостат,
2 - узел контроля углового положения банка детекторов,
3 - детектор,
4 - несущая плита блока детекторов,
5 - воздушные подушки,
6 - коллиматор,
7 - центрирующее кольцо.
Возможные параметры дифрактометра:
основные элементы - фокусирующий суперзеркальный коллиматор, фокусирующий монохроматор, монитор, входной коллиматор, собственно дифрактометр (см. рис.), защита монохроматора, защита дифрактометра, электронное обеспечение;
фокусирующий монохроматор - 2ϑm = 120°, Ge - 1.35 Å < l < 2.95Å, PG - 1.45Å, 2.90Å;
расчетное разрешение - Dd/d @ 10-3 , оптимальный режим;
расчётный поток на образце -
> 2.5x106 н/см2с - Ge,
> 4x106 н/см2с -PG;
сечение пучка на образце - 2x5 см; система детектирования - 48 3He детекторов с 48 многощелевыми пленочными коллиматорами ( 6'), установленными через 2°;
интервал углов дифракции -80 < ϑ < 150°; дополнительное оборудование:
- криостат -1,5 < T < 300 K,
- печь -300 < Т < 1000 К.
3. Дифрактометр
Четырехкружный нейтронный дифрактометр предназначен для проведения структурных исследований монокристаллов.
Изменение брэгговского угла монохроматора в диапазоне 45<2ϑ<94° обеспечит широкий выбор экспериментальных возможностей: высокую светосилу при средней разрешающей способности дифрактометра и высокое разрешение при небольшом снижении светосилы.
В качестве монохроматоров предполагается использовать: на начальном этапе плоские кристаллы Cu(111), Ge(111) и PG(002), а в последующем c вертикальной фокусировкой Ge(111), Ge(311), Ge(511), Cu(111), Cu(220) и PG(002), что позволит проводить измерения при длинах волн 0.8< l < 3Å.
Состав дифрактометра D5:
1. Модуль образца.
2. c-кольцо.
3. Привод j-оси.
4. Детектор.
5. Транспорный модуль детектора.
6. Платформа на воздушных подушках.
7. Ловушка прямого нейтронного пучка.
8. Монохроматор.
Детектор:
на начальном этапе стандартный счетчик 3Не высокого давления, в последующем - двумерный c газовой смесью (He+Ar) и рабочим давлением 10 ат, площадью 32x32 см и пространственной разрешающей способностью 5x5 мм.
Ожидаемый поток нейтронов на образце: не менее 107 н/см2с
Максимальный размер пучка на образце:
Ж 10мм.
Углы поворота осей четырехкружного дифрактометра:
-20 < 2ϑ< 140°,
-50 < w < 260°,
-180 < j < 180°,
-60 < c < 240°.
Компактный криорефрижератор позволит изменять температуру образца в дипазоне 20-300К.
4. Дифрактометр
Дифрактометр поляризованных нейтронов предназначен для проведения измерений магнитных формфакторов, распределения плотности магнитного момента в кристаллах и т.д. или может быть использован как дифрактометр неполяризованных нейтронов для проведения структурных исследований.
Сменные монохроматоры-поляризатор CoFe(200) и Cu2MnAl(111) или неполяризущие плоские монохроматоры Cu(111), Ge(111) и PG(002) при углах дифракции 8<2qM<45o позволят проводить измерения в диапазоне длин волн 0,5 < l < 1,3 Å.
Ожидаемый поток нейтронов на образце более 106-107 н/см2с в зависимости от монохроматора и длины волны.
Состав дифрактометра D 6:
1. Защита монохроматора.
2. Криостат.
3. Площадка для обслуживания установки.
4. Узел монохроматора.
5. Коллиматор.
6. Фильтр для выделения нейтронов с основной длиной волны.
7. Модуль образца.
8. Платформа на воздушных подушках.
9. Воздушные подушки.
10. Транспортный модуль детектора.
11. Детектор, перемещающийся в вертикальной плоскости.
12. Ловушка прямого нейтронного пучка.
Максимальный размер образца: Ж
Детектор: стандартный (3Не высокого давления) может перемещаться в вертикальной плоскости в диапазоне углов -5 < g < 30°.
Криостат:
с электромагнитом позволит проводить измерения при температурах 1,4 < T < 300K и в полях до 0,5 Т;
со сверхпроводящим соленоидом - в диапазоне температур 1,4 < T < 300 K и полей 0,5 < H < 8Т.
5. Коллиматор фокусирующий суперзеркальный
CFS
Компоненты коллиматора:
1 - выходная клиновидная прокладка,
2 - начальные секции коллиматора,
3 - юстировочные приспособления,
4 - оправа для крепления юстировочных приспособлений,
5 - биологическая защита.
Ожидаемые параметры:
входное сечение - 44x150 мм;
выходное сечение - 25x120 мм;
длина -
количество каналов - 2;
покрытие - qcr=2qcr для Ni(n).
Спектральное распределение на выходе коллиматора приведено на графике:
6. Трехосный кристаллический спектрометр тепловых нейтронов
Технические характеристики трёхосного спектрометра IN1:
кристаллы-монохроматоры - плоские или фокусирующие (вертикальные и горизонтальные) Cu (220), Cu (111), PG (002), Ge (111) [пластически деформированные];
выходные углы 15 < 2qМ < 65 °;
кристаллы-анализаторы - плоские или фокусирующие (вертикальные и горизонтальные) Cu (220), Cu (111), PG (002), Ge (111) [пластически деформированные];
выходные углы - -130< qÅ< 130 °; нейтронно-оптические коллиматоры 10', 20', 30', 40' и 60':
Общий вид IN1
1 - блок монохроматора;
2 - узел образца;
3 - узел анализатора;
4 - узел детектора;
5 - beam-stop.
7. Трехосный спектрометр поляризованных ионов
Предназначен для исследования спиновой динамики магнитноактивных соединений.
Состав спектрометра:
1 - детектор,
2 - коллиматор,
3 - кристалл-анализатор,
4 - анализирующий нейтроновод,
5 - ловушка прямого пучка,
7 - узел перемещения монохроматора,
8 - вращающаяся система защиты,
9 - монохроматор,
10 - стационарная защита,
11 - поляризующий нейтроновод,
12 - флиппер,
13 - подставка,
14 - модуль угловых перемещений узла образца,
15 - модуль угловых перемещений узла детектора с анализатором,
16 - стационарная защита,
17 - криостат.
1. Система монохроматизации
Фокусирующий монохроматор на кристаллах:
Размер пучка нейтронов:
2. Система коллимации и вращающаяся система защиты:
3. Узел образца:
4. Узел анализатора:
5. Детектор:
Список используемой литературы
1. Порай-Кошиц М.А. Основы структурного анализа химических соединений. М.: Высшая школа, 1982.
2. Применение дифракции нейтронов к изучению строения кристаллических веществ, Успехи физических наук. Т.XXXVIII, июль, 1949.
3. Абов Ю. Г., Литвин Д. Ф., Экспериментальные методы нейтронографии, "ПТЭ", 1960, т. 3.
4. Гурeвич И.И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергий, M., 1965.
5. Останевич Ю. M., Сердюк И. H., Нейтронографические исследования структуры биологических макромолекул, "УФН", 1982, т. 137.
6. Уиндзоp К., Рассеяние нейтронов от импульсных источников, пер. с англ., M., 1985.
7. Бэкон Дж., Диффракция нейтронов, пер. с англ., М., 1957.
8. Российская национальная нанотехнологическая сеть, www.RusNanoNet.ru
[1]Графия (от греч. grapho — пишу, черчу, рисую), часть сложных слов, означающих:
1) название науки, изучающей, описывающей предмет, указанный в первой части слова (например, география, историография).
2) Название графического способа воспроизведения чего-либо при помощи записи, чертежа, рисунка, печатания (например, каллиграфия, стенография, литография), а также предприятия, в котором применяются подобные способы (например, типография).
3) Тематический характер научного произведения, посвященного определенной проблеме (монография).
