Диссертация (1149512), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

25. Зависимости коэффициентов отражения и поляризующей эффективности от параметрасуперзеркала m: R+ и R- – коэффициенты отражения для (+) и (-) спиновой компоненты пучка,соответственно; P - поляризующая эффективность суперзеркала.1.5. ВыводыВ данной главе для нескольких нейтронно-оптических устройств рассмотрена ипоказанаэффективностьиспользованиямагнитныхмногослойныхпериодическихнаноструктур (нейтронных многослойных монохроматоров-поляризаторов) для поляризациии монохроматизации пучков тепловых и холодных нейтронов.

На примере использованияCo/Ti многослойного монохроматора-поляризатора в режиме двукратного отражения внейтронном рефлектометре НР-4М (ПИЯФ НИЦ КИ) показана эффективность иперспективность использования многослойных монохроматоров-поляризаторов в установкахнейтронной рефлектометрии и малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов.

Такиемонохроматоры-поляризаторы, более предпочтительны в этих установках, чем устройствадля монохроматизации и поляризации нейтронных пучков тепловых и холодных нейтронов,в которых используется эффект пространственного спинового резонанса поляризованныхнейтронов(«гармошка»Драбкина)[19].39Дальнейшееразвитиемонохроматоров-поляризаторов возможно и очень перспективно при использовании многослойныхмагнитных наноструктур (включая периодическую Co/Ti структуру) с малым периодом, т.к.при этом разрешение по длине волны, определяемое шириной Брэгговского пика 1-гопорядка можно сделать сравнимым с разрешением от кристаллического монохроматораполяризатора. Кроме того, при этом доля побочных немонохроматических вкладов вотраженную интенсивность будет понижена за счет увеличения расстояния междубрэгговским пиком 1-го порядка и областью полного отражения наноструктуры.

Брэгговскийпик 2-го порядка, как побочный вклад, можно практически полностью подавить, используяодинаковые толщины слоев обоих материалов наноструктуры. В настоящее время уже естьвозможностьсоздавать,например,высокоэффективныенейтронныеполяризующиенаноструктуры Fe/Si c периодом 70 Å. Параметры брэгговского пика 1-го порядка такойнаноструктуры: коэффициент отражения и поляризующая эффективность равны 0.99, /   0.023  0.025 (Prof.

Dr. P. Boni (SwissNeutronics), частное сообщение). Как былопоказановыше,оченьперспективноиспользованиемногослойныхмагнитныхпериодических наноструктур (например, Co/Ti) на кремниевой (или другой прозрачной длянейтроновподложке).поляризаторысЭтопозволитминимальнойдолейсоздатьоченьпобочныхкомпактныемонохроматоры-немонохроматическихвкладоввинтенсивность пучка, отраженную от данного монохроматора.Также в данной работе рассмотрена эффективность использования магнитныхмногослойных апериодических наноструктур (нейтронных поляризующих суперзеркал) дляполяризации пучков тепловых и холодных нейтронов, имеющих широкое спектральноераспределение.

В настоящее время поляризующие Fe/Si суперзеркала фирмы SwissNeutronicsимеют самые высокие отражающие параметры: m = 4 и коэффициент отражения R = 0.8вблизи критического угла. Однако, по ширине спектрального диапазона, в которомполяризуется нейтронный пучок при отражении от этого суперзеркала, Fe/Si суперзеркалозначительно уступает суперзеркалам CoFe/TiZr, Fe/Al (ПИЯФ) и Co/Ti (ILL), т.к. имеетотношение для граничных величин переданного импульса Qz max / Qz min  6 , в которомполяризующая эффективность этого суперзеркала P > 0.8.

Для Fe/Al аналогичное отношениеQz max / Qz min  7 , для CoFe/TiZr отношение Qz max / Qz min  12 и для Co/Ti отношениеQz max / Qz min  26 .40Глава 22.1. Принципы нейтронных рефлектометрических экспериментов2.1.1. Краткое описание метода нейтронной рефлектометрииДля рефлектометрических измерений используются как монохроматические, так инейтронные пучки с широким спектральным распределением или «белые» пучки. В первомслучае для сканирования обратного пространства измерения проводятся на разных углахскольжения. При работе с «белым» пучком используется время-пролетная методика, прикоторой для одного из углов скольжения измеряются сечения рассеяния в зависимости отнейтронной длины волны.

Для того чтобы отсканировать достаточно большую областьобратного пространства, время-пролетные измерения могут проводиться на несколькихуглах скольжения. Таким образом, режимы работы с монохроматическим и «белым»нейтронными пучками позволяют решать одни и те же задачи. Неподвижность образца привремя-пролетном режиме измерений иногда является преимуществом.Зеркальное и незеркальное рассеяние нейтронов от поверхностей и слоистых структурзначительно лишь при малых переданных волновых векторах, поэтому эффективнымоказывается континуальный потенциал, который в каждой точке r пропорционален локальноусредненной (по множеству ядер вблизи r) длине когерентного рассеяния  bc (r )  иконцентрации ядер N0(r) в окрестности точки r:Vn ( r ) 24 N 0 (r )  bc (r )  ,2m n(16)где mn – масса нейтрона.

Таким образом, зная химический состав и плотность материала, Vnможно рассчитать из табличных значений длин когерентного рассеяния нейтронов на ядрах.На практике вместо ядерного потенциала часто используют пропорциональную емуплотность длины когерентного ядерного рассеяния, соответственно, n (r )  N 0 (r )  bc (r )  .(17)41Потенциал слоистой структуры с идеальными границами зависит только от координатывдоль оси, нормальной к слоям; взаимодействие нейтрона с такой структурой приводит кчисто зеркальному рассеянию (отражению). Учет зависимости потенциала реальныхслоистых сред от координат поверхности позволяет анализировать незеркальное рассеяние иболее точно описать отражение. Зеркальное и незеркальное рассеяние (Рис.26) даютинформацию как о глубинном профиле потенциала (латерально усредненном потенциале),так и об особенностях зависимости потенциала от координат поверхности (в частности, окорреляционных длинах и степени конформности шероховатых границ).

Знание глубинногопрофиля потенциала позволяет делать важные выводы об особенностях строения слоистойструктуры, прежде всего о толщинах, плотности и химическом составе отдельных слоев, атакже характеризовать структурные несовершенства, например, глубину и характерокисленияверхнегослоя,постепенисглаживанияпрофилявблизиграниц–среднеквадратичную шероховатость, глубину межслойной диффузии.3xzryi12ПЧДобразецдиафрагмаРис. 26. Геометрия рефлектометрических измерений: каждый нейтрон падающего на плоскийобразец коллимированного пучка может быть рассеян в зеркальном направлении с  r   i (луч 1), атакже в любом из незеркальных направлений как в плоскости отражения (луч 2), так и с выходом изэтой плоскости (луч 3). Угловые зависимости сечения рассеяния определяются особенностямистроения слоистой структуры образца.Во многих представляющих практический интерес случаях доля незеркальногорассеяния сравнительно невелика. Поэтому мы ограничимся этим случаем.

Тогда зеркальноеотражение определяется только зависимостью латерально усредненного потенциала откоординаты z . При зеркальном отражении вектор разности волновых векторов рассеянного42k r и падающего ki нейтронов - переданный волновой вектор или вектор рассеяния(переданный импульс в единицах  )q  kr  ki .(18)Этот вектор перпендикулярен поверхности образца (Рис.27).qikrkiryобразецzРис. 27. Геометрия зеркального отражения (i =r): переданный волновой вектор q перпендикуляренповерхности образца; ki и k r - волновые векторы падающего и отраженного нейтронов,соответственно.Решение задачи зеркального отражения неполяризованных нейтронов от слоистыхнемагнитных структур сводится к одномерному уравнению Шредингера с потенциалом V z  : 2 d 2Ψ ( z )  V ( z )Ψ( z ) ,E2 2m dz(19)где E  – полная энергия нейтрона за вычетом кинетической энергии неменяющейсякомпоненты скорости, параллельной слоям.Рассмотрим простейший случай: отражение нейтронного пучка от однородной пленкис идеальными границами на идеальной подложке.

Шероховатость подложки и пленкиотсутствует. В этом случае зависимость нейтронно-оптического потенциала пленки откоординаты z , направленной от поверхности пленки в глубину представлена на Рис.28.Подложка рассматривается здесь как полубесконечная среда.43VEV0Vs0zaРис. 28. Зависимость нейтронно-оптического потенциала пленки от координаты z , направленной отповерхности пленки в глубину. V0 и Vs - потенциалы пленки и подложки, соответственно; a толщина пленки.Решая квантовомеханическую задачу о надбарьерном отражении нейтронной волны сэнергией E от потенциала V0 [20], образованного идеальной пленкой толщины a наповерхности полубесконечной подложки с потенциалом Vs для нормальной к поверхностипленки компоненты волнового вектора k1 , можно получить выражение для коэффициентаотражения R :kRk2121где k1  k22  k32  k22  sin k2 a   k1k2  k3k2 22 k22  k32  k22  sin k2 a   k1k2  k3k2 2 mn E, k2 22mn ( E  V0 ), k3 2(20)2 m n ( E  Vs )h, E  V0 , Vs ,  , h 2 постоянная Планка, a - толщина пленки.Волновые векторы связаны следующими соотношениями:k02  k12  k 22  2mnV0 ; k s2  k12  k32  2mnVs .44(21)Пусть выполняются следующие условия:k1  k0 , k s и k0  k s .(22)Для их выполнения достаточно чтобыk1  (0.3  0.5)  k0 , k1  (0.3  0.5)  k s , k0  (0.3  0.5)  k s ,k1  (0.3  0.5)  k s .После ряда преобразований при выполнении условий (2.7) можно получитьупрощенную формулу для коэффициента отражения R :k 04  sin k 2 a R4k142.(23)Из (23) можно получить условие для определения минимумов надбарьерногоотражения нейтронов:sin k 2  a  0(24)Из этого условия следует, чтоk 2  a    n , где n  0,   1,  2,...

Характеристики

Список файлов диссертации