Нейтронная дифракция

Дифракция нейтронов или упругое рассеяние нейтронов — это применение рассеяния нейтронов для определения атомной и/или магнитной структуры материала. Исследуемый образец помещается в пучок тепловых или холодных нейтронов для получения дифракционной картины, дающей информацию о структуре материала. Этот метод аналогичен дифракции рентгеновских лучей , но из-за различных рассеивающих свойств нейтроны и рентгеновские лучи предоставляют дополнительную информацию: рентгеновские лучи подходят для поверхностного анализа, сильные рентгеновские лучи синхротронного излучения подходят для небольших глубин или тонких образцов. , а нейтроны с большой глубиной проникновения подходят для объемных образцов. ^[1]

и к инструментам образцам Требования

Для этого метода необходим источник нейтронов. Нейтроны обычно производятся в ядерном реакторе или источнике расщепления . В исследовательском реакторе необходимы и другие компоненты, в том числе кристаллический монохроматор (в случае тепловых нейтронов), а также фильтры для выбора нужной длины волны нейтронов. Некоторые части установки также могут быть подвижными. Для длинноволновых нейтронов нельзя использовать кристаллы, вместо этого в качестве дифракционных оптических компонентов используются решетки. ^[2] В источнике расщепления для сортировки энергий падающих нейтронов используется метод времени пролета (нейтроны с более высокой энергией быстрее), поэтому не требуется монохроматор, а скорее серия апертурных элементов, синхронизированных для фильтрации нейтронных импульсов с желаемой длиной волны. .

Этот метод чаще всего выполняется как порошковая дифракция , для которой требуется только поликристаллический порошок. Работа с монокристаллами также возможна, но кристаллы должны быть намного крупнее тех, которые используются в монокристаллической рентгеновской кристаллографии . Обычно используются кристаллы размером около 1 мм. ³. ^[3]

Для этого метода также требуется устройство, способное обнаруживать нейтроны после их рассеяния.

Подводя итог, можно сказать, что основным недостатком нейтронной дифракции является необходимость наличия ядерного реактора. Для работы с монокристаллами этот метод требует относительно больших кристаллов, вырастить которые обычно сложно. Преимуществ у этого метода много - чувствительность к легким атомам, способность различать изотопы, отсутствие радиационных повреждений, ^[3] а также глубина проникновения в несколько см ^[1]

Ядерное рассеяние [ править ]

Как и все квантовые частицы , нейтроны могут проявлять волновые явления, обычно связанные со светом или звуком. Дифракция - одно из таких явлений; оно возникает, когда волны сталкиваются с препятствиями, размер которых сравним с длиной волны . Если длина волны квантовой частицы достаточно коротка, атомы или их ядра могут служить дифракционными препятствиями. Когда пучок нейтронов, исходящий из реактора, замедляется и правильно выбирается по скорости, их длина волны лежит около одного ангстрема (0,1 нанометра ), типичного расстояния между атомами в твердом материале. Такой луч затем можно использовать для проведения дифракционного эксперимента. Ударяясь о кристаллический образец, он рассеивается под ограниченным числом четко определенных углов в соответствии с тем же законом Брэгга , который описывает дифракцию рентгеновских лучей.

Нейтроны и рентгеновские лучи по-разному взаимодействуют с веществом. Рентгеновские лучи взаимодействуют в первую очередь с электронным облаком, окружающим каждый атом. Поэтому вклад в интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения больше для атомов с большим атомным номером (Z) . С другой стороны, нейтроны непосредственно взаимодействуют с ядром атома, и вклад в дифрагированную интенсивность зависит от каждого изотопа ; например, обычный водород и дейтерий вносят разный вклад. Также часто бывает, что легкие атомы (с низким Z) вносят большой вклад в дифрагированную интенсивность даже в присутствии больших атомов Z. Длина рассеяния варьируется от изотопа к изотопу, а не линейно в зависимости от атомного номера. Такой элемент, как ванадий, сильно рассеивает рентгеновские лучи, но его ядра почти не рассеивают нейтроны, поэтому его часто используют в качестве материала контейнера. Немагнитная дифракция нейтронов непосредственно чувствительна к положениям ядер атомов.

Ядра атомов, от которых рассеиваются нейтроны, крошечные. Более того, нет необходимости в атомном форм-факторе для описания формы электронного облака атома, и рассеивающая способность атома не падает с углом рассеяния, как это происходит в рентгеновских лучах. Таким образом, дифрактограммы могут показывать сильные, четко выраженные дифракционные пики даже под большими углами, особенно если эксперимент проводится при низких температурах. Многие источники нейтронов оснащены системами охлаждения жидким гелием, которые позволяют собирать данные при температурах до 4,2 К. Превосходная информация под большим углом (т.е. с высоким разрешением ) означает, что положения атомов в структуре могут быть определены с высокой точностью. С другой стороны, карты Фурье (и, в меньшей степени, разностные карты Фурье ), полученные на основе нейтронных данных, страдают от ошибок завершения ряда, иногда настолько больших, что результаты бессмысленны.

Магнитное рассеяние [ править ]

Хотя нейтроны и не заряжены, они несут магнитный момент , а потому взаимодействуют с магнитными моментами, в том числе возникающими из электронного облака вокруг атома. Таким образом, нейтронная дифракция может выявить микроскопическую магнитную структуру материала. ^[4]

Магнитное рассеяние действительно требует атомного форм-фактора , поскольку оно вызвано гораздо большим электронным облаком вокруг крошечного ядра. Поэтому интенсивность магнитного вклада в дифракционные пики будет уменьшаться в сторону больших углов.

Использует [ править ]

Нейтронографию можно использовать для определения структурного фактора газов статического , жидкостей или аморфных твердых тел . Однако большинство экспериментов направлено на изучение структуры кристаллических твердых тел, что делает дифракцию нейтронов важным инструментом кристаллографии .

рентгеновской Нейтронная дифракция тесно связана с порошковой дифракцией . ^[5] Фактически, монокристаллическая версия метода используется реже, поскольку доступные в настоящее время источники нейтронов требуют относительно больших образцов, а большие монокристаллы трудно или невозможно получить для большинства материалов. Однако будущие события вполне могут изменить эту картину. Поскольку данные обычно представляют собой одномерную порошковую дифрактограмму, они обычно обрабатываются с использованием уточнения Ритвельда . Фактически последний возник в результате дифракции нейтронов (в Петтене в Нидерландах), а позже был расширен для использования в дифракции рентгеновских лучей.

Одним из практических применений упругого рассеяния/дифракции нейтронов является постоянной решетки металлов и других возможность очень точного измерения кристаллических материалов. С помощью точно выровненного микропозиционера можно получить карту постоянной решетки металла. Это можно легко преобразовать в поле напряжений , испытываемое материалом. ^[1] Это использовалось для анализа напряжений в компонентах аэрокосмической и автомобильной промышленности , и это всего лишь два примера. Большая глубина проникновения позволяет измерять остаточные напряжения в объемных деталях, таких как коленчатые валы, поршни, рельсы, шестерни. Этот метод привел к разработке специализированных стресс-дифрактометров, таких как прибор ENGIN-X на источнике нейтронов ISIS .

Дифракция нейтронов также может быть использована для понимания трехмерной структуры любого дифрагирующего материала. ^[6]^[7]

Другое применение - определение числа сольватации ионных пар в растворах электролитов.

Эффект магнитного рассеяния использовался с момента создания метода дифракции нейтронов для количественного определения магнитных моментов в материалах и изучения ориентации и структуры магнитных диполей. Одним из первых применений нейтронной дифракции было изучение ориентации магнитных диполей в оксидах антиферромагнитных переходных металлов, таких как оксиды марганца, железа, никеля и кобальта. Эти эксперименты, впервые проведенные Клиффордом Шуллом, были первыми, кто показал существование антиферромагнитного расположения магнитных диполей в структуре материала. ^[8] В настоящее время дифракция нейтронов продолжает использоваться для характеристики новых магнитных материалов.

Водород, нулевое рассеяние контраста изменение и

Нейтронную дифракцию можно использовать для установления структуры материалов с низким атомным номером, таких как белки и поверхностно-активные вещества, гораздо легче при меньшем потоке, чем при использовании источника синхротронного излучения. Это связано с тем, что некоторые материалы с низким атомным номером имеют более высокое сечение взаимодействия нейтронов, чем материалы с более высоким атомным весом.

Одним из основных преимуществ дифракции нейтронов перед дифракцией рентгеновских лучей является то, что последний довольно нечувствителен к присутствию водорода (H) в структуре, тогда как ядра ¹Рука ²H (т.е. дейтерий , D) являются сильными рассеивателями нейтронов. Большая рассеивающая способность протонов и дейтронов означает, что положение водорода в кристалле и его тепловые движения можно с большей точностью определить с помощью дифракции нейтронов. строение металлогидридных комплексов , например Mg ₂ FeH _{6 .} Методом нейтронографии оценено ^[9]

Длины рассеяния нейтронов b _H = −3,7406(11) Фм ^[10] и b _D = 6,671(4) Фм, ^[10] для H и D соответственно имеют противоположный знак, что позволяет методике их различать. Фактически существует определенное соотношение изотопов , при котором вклад элемента будет компенсироваться, это называется нулевым рассеянием.

Нежелательно работать при относительно высокой концентрации H в образце. Интенсивность рассеяния на H-ядрах имеет большую неупругую составляющую, что создает большой сплошной фон, более или менее не зависящий от угла рассеяния. Упругая картина обычно состоит из резких брэгговских отражений , если образец кристаллический. Они склонны тонуть в неэластичном фоне. Это становится еще более серьезным, когда этот метод используется для изучения структуры жидкости. Тем не менее, готовя образцы с разными соотношениями изотопов, можно достаточно варьировать контраст рассеяния, чтобы выделить один элемент в сложной структуре. Вариация других элементов возможна, но обычно довольно дорога. Водород недорог и особенно интересен, поскольку он играет исключительно большую роль в биохимических структурах и его трудно структурно изучать другими способами.

История [ править ]

Первые эксперименты по дифракции нейтронов были проведены в 1945 году Эрнестом О. Волланом с использованием графитового реактора в Ок-Ридже . Вскоре после этого к нему присоединились (июнь 1946 г.). ^[11] Клиффордом Шуллем , и вместе они установили основные принципы этой техники и успешно применили ее ко многим различным материалам, решая такие проблемы, как структура льда и микроскопическое расположение магнитных моментов в материалах. За это достижение Шулль был удостоен половины Нобелевской премии по физике 1994 года . (Волан умер в 1984 году). (Другая половина Нобелевской премии по физике 1994 года досталась Берту Брокгаузу за разработку метода неупругого рассеяния на Чок-Ривер в предприятии AECL . Это также включало изобретение трехосного спектрометра). Задержка между достигнутыми работами (1946 г.) и Нобелевской премией, присужденной Брокгаузу и Шуллю (1994 г.), приближает их к задержке между изобретением Эрнстом Руской электронного микроскопа (1933 г.) - также в области оптики частиц - и собственная Нобелевская премия (1986). Это, в свою очередь, близко к рекорду в 55 лет между открытиями Пейтона Роуса и присуждением ему Нобелевской премии в 1966 году.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Измерение остаточного напряжения в материалах с помощью нейтронов , МАГАТЭ , 2003 г.
^ Хадден, Эльхусин; Исо, Юко; Куме, Ацуши; Умэмото, Коичи; Дженке, Тобиас; Фалли, Мартин; Клепп, Юрген; Томита, Ясуо (24 мая 2022 г.). «Композитные решетки наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов» . В Маклеоде, Роберт Р.; Томита, Ясуо; Шеридан, Джон Т; Паскуаль Вильялобос, Инмакулада (ред.). Светочувствительные материалы и их применение II . Том. 12151. ШПИОН. стр. 70–76. Бибкод : 2022SPIE12151E..09H . дои : 10.1117/12.2623661 . ISBN 9781510651784 . S2CID 249056691 .
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Паула М.Б. Пикколи, Томас Ф. Кетцле, Артур Дж. Шульц «Дифракция монокристаллических нейтронов для химика-неорганика - практическое руководство» Комментарии по неорганической химии 2007, том 28, 3-38. дои : 10.1080/02603590701394741
^ Нейтронная дифракция магнитных материалов / Ю.В. Изюмов А., Наиш В.Е., Озеров Р.П.; перевод с русского Иоахима Бюхнера. Нью-Йорк: Консультантское бюро, 1991 г. ISBN 0-306-11030-X
^ Дифракция нейтронов на порошке Ричарда М. Ибберсона и Уильяма И.Ф. Дэвида, Глава 5 определения структуры по данным порошковой дифракции, монографии IUCr по кристаллографии, Оксфордские научные публикации, 2002 г., ISBN 0-19-850091-2
^ Охеда-Мэй, П.; Терронес, М.; Терронес, Х.; Хоффман, Д.; и др. (2007), «Определение киральности одностенных углеродных нанотрубок методом нейтронной порошковой дифракции», Diamond and родственные материалы , 16 (3): 473–476, Bibcode : 2007DRM....16..473O , doi : 10.1016 /j.diamond.2006.09.019
^ Пейдж, К.; Проффен, Т.; Нидербергер, М.; Сешадри, Р. (2010), «Исследование локальных диполей и структуры лигандов в наночастицах BaTiO3», Химия материалов , 22 (15): 4386–4391, doi : 10,1021/cm100440p
^ Шулл, К.Г.; Штраузер, Вашингтон; Воллан, Э.О. (15 июля 1951 г.). «Дифракция нейтронов на парамагнитных и антиферромагнитных веществах». Физический обзор . 83 (2). Американское физическое общество (APS): 333–345. Бибкод : 1951PhRv...83..333S . дои : 10.1103/physrev.83.333 . ISSN 0031-899X .
^ Роберт Бау, Мэри Х. Драбнис «Структуры гидридов переходных металлов, определенные методом дифракции нейтронов» Inorganica Chimica Acta 1997, том. 259, стр. 27-50. два : 10.1016/S0020-1693(97)89125-6
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Сирс, В.Ф. (1992), «Длины и сечения рассеяния нейтронов», Neutron News , 3 (3): 26–37, doi : 10.1080/10448639208218770
^ Шулл, Клиффорд Г. (1 октября 1995 г.). «Раннее развитие рассеяния нейтронов». Обзоры современной физики . 67 (4). Американское физическое общество (APS): 753–757. Бибкод : 1995РвМП...67..753С . дои : 10.1103/revmodphys.67.753 . ISSN 0034-6861 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Лавси, Юго-Запад (1984). Теория рассеяния нейтронов в конденсированном состоянии; Том 1: Рассеяние нейтронов . Оксфорд: Кларендон Пресс . ISBN 0-19-852015-8 .
Лавси, Юго-Запад (1984). Теория рассеяния нейтронов в конденсированном состоянии; Том 2: Конденсированное вещество . Оксфорд: Кларендон Пресс. ISBN 0-19-852017-4 .
Сквайрс, Г.Л. (1996). Введение в теорию теплового рассеяния нейтронов (2-е изд.). Минеола, Нью-Йорк: ISBN Dover Publications Inc. 0-486-69447-Х .

Янг, Р.А., изд. (1993). Метод Ритвельда . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета и Международный союз кристаллографии. ISBN 0-19-855577-6 .

Внешние ссылки [ править ]

Национальный институт стандартов и технологий, Центр нейтронных исследований
От закона Брэгга к дифракции нейтронов
Инициатива по интегрированной инфраструктуре нейтронного рассеяния и мюонной спектроскопии (NMI3) - европейский консорциум из 18 партнерских организаций из 12 стран, включая все основные объекты в области рассеяния нейтронов и мюонной спектроскопии.
Лаборатория нейтронной физики Франка Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ)
База данных приборов МАГАТЭ с нейтронным пучком

[iaea-1] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Измерение остаточного напряжения в материалах с помощью нейтронов , МАГАТЭ , 2003 г.

[2] Хадден, Эльхусин; Исо, Юко; Куме, Ацуши; Умэмото, Коичи; Дженке, Тобиас; Фалли, Мартин; Клепп, Юрген; Томита, Ясуо (24 мая 2022 г.). «Композитные решетки наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов» . В Маклеоде, Роберт Р.; Томита, Ясуо; Шеридан, Джон Т; Паскуаль Вильялобос, Инмакулада (ред.). Светочувствительные материалы и их применение II . Том. 12151. ШПИОН. стр. 70–76. Бибкод : 2022SPIE12151E..09H . дои : 10.1117/12.2623661 . ISBN 9781510651784 . S2CID 249056691 .

[Picc-3] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Паула М.Б. Пикколи, Томас Ф. Кетцле, Артур Дж. Шульц «Дифракция монокристаллических нейтронов для химика-неорганика - практическое руководство» Комментарии по неорганической химии 2007, том 28, 3-38. дои : 10.1080/02603590701394741

[4] Нейтронная дифракция магнитных материалов / Ю.В. Изюмов А., Наиш В.Е., Озеров Р.П.; перевод с русского Иоахима Бюхнера. Нью-Йорк: Консультантское бюро, 1991 г. ISBN 0-306-11030-X

[5] Дифракция нейтронов на порошке Ричарда М. Ибберсона и Уильяма И.Ф. Дэвида, Глава 5 определения структуры по данным порошковой дифракции, монографии IUCr по кристаллографии, Оксфордские научные публикации, 2002 г., ISBN 0-19-850091-2

[ojeda-6] Охеда-Мэй, П.; Терронес, М.; Терронес, Х.; Хоффман, Д.; и др. (2007), «Определение киральности одностенных углеродных нанотрубок методом нейтронной порошковой дифракции», Diamond and родственные материалы , 16 (3): 473–476, Bibcode : 2007DRM....16..473O , doi : 10.1016 /j.diamond.2006.09.019

[page-7] Пейдж, К.; Проффен, Т.; Нидербергер, М.; Сешадри, Р. (2010), «Исследование локальных диполей и структуры лигандов в наночастицах BaTiO3», Химия материалов , 22 (15): 4386–4391, doi : 10,1021/cm100440p

[8] Шулл, К.Г.; Штраузер, Вашингтон; Воллан, Э.О. (15 июля 1951 г.). «Дифракция нейтронов на парамагнитных и антиферромагнитных веществах». Физический обзор . 83 (2). Американское физическое общество (APS): 333–345. Бибкод : 1951PhRv...83..333S . дои : 10.1103/physrev.83.333 . ISSN 0031-899X .

[9] Роберт Бау, Мэри Х. Драбнис «Структуры гидридов переходных металлов, определенные методом дифракции нейтронов» Inorganica Chimica Acta 1997, том. 259, стр. 27-50. два : 10.1016/S0020-1693(97)89125-6

[Sears-10] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Сирс, В.Ф. (1992), «Длины и сечения рассеяния нейтронов», Neutron News , 3 (3): 26–37, doi : 10.1080/10448639208218770

[11] Шулл, Клиффорд Г. (1 октября 1995 г.). «Раннее развитие рассеяния нейтронов». Обзоры современной физики . 67 (4). Американское физическое общество (APS): 753–757. Бибкод : 1995РвМП...67..753С . дои : 10.1103/revmodphys.67.753 . ISSN 0034-6861 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]