Jump to content

Рассеяние нейтронов

Рассеяние нейтронов , неравномерное рассеивание свободных нейтронов веществом, может относиться либо к естественному физическому процессу, либо к искусственным экспериментальным методам, которые используют естественный процесс для исследования материалов. Природное/физическое явление имеет решающее значение в ядерной технике и ядерных науках. Что касается экспериментальной техники, понимание и управление рассеянием нейтронов имеет основополагающее значение для приложений, используемых в кристаллографии , физике , физической химии , биофизике и исследовании материалов .

Рассеяние нейтронов практикуется на исследовательских реакторах и в источниках расщепительных нейтронов, обеспечивающих нейтронное излучение различной интенсивности . нейтронной дифракции ( упругого рассеяния Для анализа структур используются методы ); где неупругое рассеяние нейтронов используется при изучении атомных колебаний и других возбуждений .

Рассеяние быстрых нейтронов

[ редактировать ]

«Быстрые нейтроны» (см. температура нейтронов ) имеют кинетическую энергию выше 1 МэВ . Они могут рассеиваться конденсированным веществом — ядрами, имеющими кинетическую энергию намного ниже 1 эВ, — что является действительным экспериментальным приближением упругого столкновения с покоящейся частицей. При каждом столкновении быстрый нейтрон передает значительную часть своей кинетической энергии рассеивающему ядру (конденсированному веществу), тем более, чем легче ядро. И при каждом столкновении «быстрый» нейтрон замедляется до тех пор, пока не достигнет теплового равновесия с материалом, в котором он рассеивается.

Нейтронные замедлители используются для производства тепловых нейтронов , кинетическая энергия которых ниже 1 эВ (Т <500 К). [1] Тепловые нейтроны используются для поддержания цепной ядерной реакции в ядерном реакторе , а также в качестве исследовательского инструмента в экспериментах по рассеянию нейтронов и других приложениях нейтронной науки (см. Ниже). Оставшаяся часть этой статьи посвящена рассеянию тепловых нейтронов.

Взаимодействие нейтрона с веществом

[ редактировать ]

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, они проникают глубже в материю, чем электрически заряженные частицы с сопоставимой кинетической энергией, и, таким образом, ценны в качестве зондов объемных свойств.

Нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами и с магнитными полями неспаренных электронов, вызывая выраженные эффекты интерференции и переноса энергии в экспериментах по рассеянию нейтронов. В отличие от рентгеновского фотона с аналогичной длиной волны, который взаимодействует с электронным облаком, окружающим ядро , нейтроны взаимодействуют в первую очередь с самим ядром, как это описывается псевдопотенциалом Ферми . рассеяния и поглощения нейтронов Сечения широко варьируются от изотопа к изотопу.

Рассеяние нейтронов может быть некогерентным или когерентным, также в зависимости от изотопа. Среди всех изотопов водород имеет самое высокое сечение рассеяния. Важные элементы, такие как углерод и кислород, хорошо заметны при рассеянии нейтронов — это резко контрастирует с рассеянием рентгеновских лучей , где поперечные сечения систематически увеличиваются с увеличением атомного номера. Таким образом, нейтроны можно использовать для анализа материалов с низкими атомными номерами, включая белки и поверхностно-активные вещества. Это можно сделать на синхротронных источниках, но необходимы очень высокие интенсивности, которые могут привести к изменению структур. Ядро обеспечивает очень короткий радиус действия, поскольку изотропный потенциал случайным образом меняется от изотопа к изотопу, что позволяет настроить контраст (рассеяния) в соответствии с экспериментом.

В рассеянии почти всегда присутствуют как упругие, так и неупругие компоненты. Доля упругого рассеяния определяется фактором Дебая-Валлера или фактором Мёссбауэра-Ламба . В зависимости от вопроса исследования большинство измерений концентрируются либо на упругом, либо на неупругом рассеянии.

Достижение точной скорости, то есть точной энергии и длины волны де Бройля , нейтронного пучка имеет важное значение. Такие одноэнергетические пучки называются «монохроматическими», и монохроматичность достигается либо с помощью кристаллического монохроматора, либо с помощью времяпролетного (TOF) спектрометра . В методе времени пролета нейтроны пропускаются через последовательность двух вращающихся щелей, так что отбираются только нейтроны с определенной скоростью. Были разработаны источники расщепления, способные создавать быстрый импульс нейтронов. Импульс содержит нейтроны с разными скоростями или длинами волн де Бройля, но отдельные скорости рассеянных нейтронов можно определить впоследствии , измеряя время пролета нейтронов между образцом и детектором нейтронов.

Магнитное рассеяние

[ редактировать ]

Нейтрон имеет чистый электрический заряд, равный нулю, но имеет значительный магнитный момент , хотя и составляет всего около 0,1% от магнитного момента электрона . Тем не менее, он достаточно велик, чтобы рассеиваться от локальных магнитных полей внутри конденсированного вещества, обеспечивая слабовзаимодействующий и, следовательно, проникающий зонд упорядоченных магнитных структур и электронных спиновых флуктуаций. [2]

Неупругое рассеяние нейтронов

[ редактировать ]
Общая схема эксперимента по неупругому рассеянию нейтронов
Неупругое рассеяние нейтронов.

Неупругое рассеяние нейтронов — это экспериментальный метод, обычно используемый в исследованиях конденсированных сред для изучения движения атомов и молекул, а также возбуждений магнитных и кристаллических полей. [3] [4] Он отличается от других методов рассеяния нейтронов тем, что учитывает изменение кинетической энергии, которое происходит, когда столкновение нейтронов с образцом является неупругим. Результаты обычно выражаются как коэффициент динамической структуры (также называемый законом неупругого рассеяния). , иногда также как динамическая восприимчивость где вектор рассеяния - это разница между входящим и исходящим волновым вектором , и - изменение энергии, испытываемое образцом (отрицательное изменение энергии рассеянного нейтрона). Когда результаты отображаются как функция , их часто можно интерпретировать так же, как спектры, полученные обычными спектроскопическими методами; поскольку неупругое рассеяние нейтронов можно рассматривать как специальную спектроскопию.

Эксперименты по неупругому рассеянию обычно требуют монохроматизации падающего или уходящего луча и энергетического анализа рассеянных нейтронов. Это можно сделать либо с помощью времяпролетных методов ( времяпролетное рассеяние нейтронов ), либо с помощью брэгговского отражения от монокристаллов ( нейтронная трехосная спектроскопия , обратное рассеяние нейтронов ). Монохроматизация не требуется в методах эха ( нейтронное спиновое эхо , спиновое эхо нейтронного резонанса ), которые используют квантово-механическую фазу нейтронов в дополнение к их амплитудам. [ нужна ссылка ]

Первые нейтронографические эксперименты были проведены в 1930-х годах. [1] Однако только примерно в 1945 году, с появлением ядерных реакторов, стали возможны высокие нейтронные потоки , что привело к возможности углубленных структурных исследований. Первые приборы рассеяния нейтронов были установлены в лучевых трубах многоцелевых исследовательских реакторов. В 1960-х годах были построены реакторы с высоким потоком, оптимизированные для экспериментов с лучевой трубкой. Кульминацией разработки стал высокопоточный реактор Института Лауэ-Ланжевена (в эксплуатации с 1972 года), который достиг самого высокого потока нейтронов на сегодняшний день. Помимо нескольких источников с высоким потоком, в университетах и ​​других исследовательских институтах существовало около двадцати реакторных источников со средним потоком. Начиная с 1980-х годов многие из этих источников среднего потока были закрыты, и исследования сосредоточились на нескольких ведущих в мире источниках с высоким потоком.

Удобства

[ редактировать ]

Сегодня большинство экспериментов по рассеянию нейтронов проводятся учеными-исследователями, которые подают заявки на время луча в источниках нейтронов посредством формальной процедуры предложения. Из-за низкой скорости счета, используемой в экспериментах по рассеянию нейтронов, для получения пригодных наборов данных обычно требуются относительно длительные периоды времени луча (порядка дней). Предложения оцениваются на предмет осуществимости и научного интереса. [5]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б Лют, Харальд Ибах, Ганс (2009). Физика твердого тела: введение в принципы материаловедения (4-е широко обновленное и дополненное изд.). Берлин: Шпрингер. ISBN  978-3-540-93803-3 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  2. ^ Зализняк Игорь А.; Ли, Сын Хун (2004), Магнитное рассеяние нейтронов
  3. ^ GL Squires Введение в теорию теплового рассеяния нейтронов, Дувр, 1997 (перепечатка?)
  4. ^ Тейлор, Эндрю Доусон (1976). Неупругое рассеяние нейтронов химическими скоростными процессами . ox.ac.uk (докторская диссертация). Оксфордский университет. OCLC   500576530 . EThOS   uk.bl.ethos.474621 .
  5. ^ «Как подать предложение» . Нейтронные науки в ОРНЛ . Окриджская национальная лаборатория . Проверено 12 мая 2022 г.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 7659e8a60bfede06a2307950a520600d__1665120900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/76/0d/7659e8a60bfede06a2307950a520600d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Neutron scattering - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)