glazkov-metody-izucheniya-kristallov (810760), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Реакторный источник мировогоуровня используется в Институте Лауэ-Ланжевена [10], ускорительные источники мирового уровня находятся, например, в ИнститутеПоля Шерера [11], центре ISIS [12], Национальной лаборатории ОакРидж [13].При каждом делении ядра в реакторе либо при каждом попаданиипротона в ядро-мишень образуется несколько нейтронов. Однако этинейтроны имеют энергию ∼ 100 МэВ (мегаэлектронвольт!).
Для исследования дифракции или неупругого рассеяния на кристалле, как мыуже видели, оптимальной является дебройлевская длина нейтрона порядка межатомного расстояния, что соответствует энергиям в несколько десятков миллиэлектронвольт — на 9 порядков меньшей энергии!Для этого поток нейтронов от источника направляют в модератор —во многих случаях в качестве модератора используется танк с тяжёлой водой,3 где за счёт столкновений с другими ядрами нейтрон отдаёт избыток энергии и термализуется до равновесных тепловых энергий.
Полученные таким образом тепловые нейтроны направляются кустановкам. Этот пучок не монохроматичен, в качестве приближения1 Требования к такому реактору существенно отличаются от требований к энергетическому реактору. Если в реакторах, используемых в производстве энергии, видеале каждый нейтрон должен участвовать в продолжении цепной реакции, авыделяемая энергия обычно идёт на получение горячего пара, то для опытов порассеянию нейтронов необходимо выводить из активной зоны как можно более интенсивный пучок нейтронов (а лучше несколько таких пучков для различных установок) и высокая температура активной зоны не нужна.
Это требует компактнойактивной зоны реактора, и тепловая мощность оказывается небольшой. Например,тепловая мощность реактора Института Лауе-Ланжевена около 60 МВт (тепловаямощность энергетического реактора РБМК-1000 около 3 ГВт), но при этом тяжёлаявода, используемая как замедлитель в этом реакторе, поддерживается при температуре всего 35∘ C, так что эта мощность просто уходит в окружающую среду.2 По-английски такой источник называется spallation source. Необходимая энергия протона около 1 ГэВ, при каждом попадании в свинцовое ядро-мишень в результате раскалывания ядра образуется ∼ 30 нейтронов.3 Материал модератора должен включать лёгкие ядра, так как по законам механики в этом случае потеря энергии при столкновении нейтрона с ядрами будетпроисходить быстрее.
Однако использование модератора с обычной водой неэффективно, так как у протонов достаточно большое сечение захвата нейтронов.Другим относительно лёгким и технологичным материалом является графит. Дляполучения «холодных» нейтронов в качестве модератора применяется жидкий дейтерий (температура кипения около 20 К).32можно считать, что нейтроны после модератора подчиняются максвелловскому распределению по энергии.В монохроматоре и анализаторе может использоваться либо брэгговское отражение на высококачественных кристаллах (часто используется пиролитический графит или кремний), либо кинематическаяфильтрация нейтронов в системе вращающихся дисков из поглощающего материала с прорезями (при заданной частоте вращения дисковпроходят только нейтроны, для которых время пролёта между дисками равно времени, за которое последующий диск повернётся щельюна траекторию движения нейтрона).
Кинематическая фильтрация становится возможна, так как скорость движения тепловых нейтроновневысока (составляет около 1 км/с)1 .Для детектирования нейтронов используют разного типа счётчики. Задача опять оказывается осложнена электронейтральностьюнейтрона, поэтому подбирают материал, который захватывает тепловые нейтроны с последующей ядерной реакцией с образованием заряженной частицы. Наиболее эффективными (для эксперимента желательно детектировать каждый нейтрон) являются газовые счётчики, заполненные гелием-3.
При захвате нейтрона происходит реакция + 3 He→ 3 H+1 H+0,76 МэВ. Образующиеся энергичные ядра при торможении вызывают ударную ионизацию, производя ∼ 10000 ионов иэлектронов. Прилагая к камере с газом разность потенциалов можновызвать дрейф этих ионизованных частиц, приводящий к возникновению импульса тока в цепи. Если положительный электрод камерысделать в виде тонкой нити, то вблизи этой нити напряжённость электрического поля будет высока и ускоренные этим полем электроныприводят к вторичной ударной ионизации, вызывая образование лавины зарядов. Лавинообразование позволяет увеличить чувствительность ещё примерно в 1000 раз, таким образом на каждый нейтронобразуется несколько миллионов заряженных частиц, дающих детектируемый импульс тока.Подчеркнём, что на всём пути от источника к детектору нейтронытеряются: отсеиваются и поглощаются в различных фильтрующих и1 При этом скорость движения нейтронов достаточно высока, чтобы на временипрохождения всего пути от источника до детектора (длина которого может составлять 100 метров) не учитывать конечность времени жизни свободного нейтрона(период полураспада около 700 с).33коллимирующих элементах.
Плотность потока нейтронов после термализатора в лучших источниках составляет 1015 1/(см2 · с), плотность потока на образце (после монохроматора) типично составляет108 1/(см2 · с), а на детекторе (после рассеяния на образце и отбора наанализаторе) в опытах по неупругому рассеянию наблюдается частовсего несколько отсчётов в секунду.Наглядным примером применения метода неупругого рассеяниянейтронов является измерение фононного спектра в кристалле инертного газа аргона. Температура плавления аргона при атмосферномдавлении около 83 К, аргон кристаллизуется в ГЦК решётку.
Кристаллографический базис состоит из одного атома, поэтому есть толькоакустические фононные моды. Пример фононного спектра в твёрдомаргоне из работы [14] приведён на рис. 13. Экспериментальные данныеполучены сканированием по энергии рассеянных нейтронов (поворотом анализатора) при заданном векторе передачи импульса (зафиксированном угле поворота пучка). Обратите ещё раз внимание, что вреальных системах различаются скорости звука для акустических модразной поляризации, и эти скорости звука анизотропны.
Спектр фононов в аргоне был описан в модели, учитывающей взаимодействие нетолько ближайших соседей, но и следующих за ближайшими и следующих за ними атомов.4.4.Времяпролётная схема неупругого рассеяниянейтроновВ заключение опишем кратко постепенно получающий всё большееразвитие метод времяпролётной спектроскопии. Развитие этого метода стало возможно в связи с прогрессом вычислительной техники. Егоидея заключается в использовании того факта, что нейтроны движутся не слишком быстро — при скорости порядка 1 км/с нейтрон преодолевает свой путь по установке (около 10 метров) за время 10 мсек. Этоогромное время для современной электроники.Метод времяпролётной спектроскопии наиболее естественно реализуется на ускорительных источниках нейтронов.1 По принципу работыускорителя протоны, бомбардирующие мишень, формируют короткие1 Этот метод можно реализовать и на реакторном источнике, если прерыватьпучок нейтронов поглощающими заслонками.
По этому принципу работает одиниз инструментов Института Лауэ—Ланжевена. При этом, однако, выбрасываетсябольшая часть потока нейтронов, что делает применение этого метода не всегдавыигрышным.34q=(3, 3, 0)E0=30.5 мэВ(B)(A)отсчёты детектора за 5 минутэнергия фонона, мэВLотсчёты детектора за 3 минуты[kk0][h00]q=(1.9, 2.1, 0.1)E0=13.7 мэВпередача энергии, мэВLT2L(B)TT1T[ppp]36ArT=10Kh(A)kpкомпоненты волнового вектора фонона, в единицах обратной решёткиРис.
13. Восстановленный по результатам эксперимента спектр фононов вкристалле аргона вдоль направлений [100], [110] и [111]. Символы — экспериментальные данные, кривые — модельное описание с учётом взаимодействияближайших соседей, соседей следующих за ближайшими и следующих (третьих) соседей. Продольные и поперечные моды отмечены буквами L и T(T1 и T2), соответственно. На вставке: пример зависимости интенсивностиотсчётов детектора от изменения энергии нейтрона при фиксированном изменении импульса нейтрона. Буквами (A) и (B) отмечены положения соответствующих точек на основном графике.
На основе рисунков из статьи [14].358.2 м7.83 м0м11.75 м15.66 м23.5 м28.5 м25 мвращающиесядиски-прерывателимодератор180#1#3#2#4#50образецрасстояние до модератора, м600детекторы4мдетекторыобразец#52520#415#310#2#1502486104время пролёта, х10 мксРис. 14.
Сверху: схема расположения прерывателей потока нейтронов и массива детекторов во времяпролётном спектрометре LET центра ISIS (Великобритания). Расстояния отсчитываются от модератора. Слева внизу: «мировые линии» нейтронных импульсов, проходящих через систему прерывателей. Пробелы в пунктирных линиях изображают моменты, когда соответствующий прерыватель открыт. Видно, что из одного пакета нейтронов навходе формируется три импульса монохроматических нейтронов (с энергиями около 5 мэВ, 1,5 мэВ и 0,7 мэВ), падающие на образец в разные моментывремени. Таким образом, рассеяние нейтронов с разными энергиями можетнаблюдаться в одном эксперименте.
Снизу справа: фотография массива детекторов спектрометра LET. На основе рисунков из статьи [15].36передача энергии, мэВРис. 15. Пример карты интенсивности рассеяния, полученной на монокристалле кальцита. Серая заливка соответствует фоновому уровню, интенсивность рассеяния нейтронов с данной передачей энергии и импульса показанаградацией цвета (в электронной версии пособия красный цвет соответсвуетмаксимальной интенсивности). Вертикальные плоскости показывают фрагменты фононного спектра для фононов, распространяющихся в направлениях * и * , горизонтальный «срез» с нулевой передачей энергии соответствует упругим процессам и содержит картину брэгговских пиков.
На основерисунка из статьи [15].37пакеты. Поэтому и нейтроны рождаются импульсами, длительностьимпульса составляет около одной микросекунды (данные для источника SNS Национальной лаборатории Оак Ридж, США [13]). Для тепловых нейтронов основная доля длин волн приходится на интервал от2 до 10 Å, из-за этого размытия по длинам волн и скоростям движения нейтронов на измерительной станции на расстоянии около десятиметров от источника этот импульс «растянется» на несколько десятков милисекунд — интервал времени гораздо больший длительностиначального импульса. При этом на станцию сначала придут самыебыстрые нейтроны, затем более медленные. То есть, при помощи прерывателя потока нейтронов (поглощающей заслонки, англ. chopper),согласованного с импульсами ускорителя, из этого растянувшегосяшнура можно буквально «вырезать» нейтроны, энергия (скорость) иимпульс (направление движения) которых точно известны, а такжеточно известно время прохождения этими нейтронами прерывателя(рисунок 14).Если теперь установить за образцом массив детекторов и фиксировать время попадания каждого нейтрона, прошедшего через образец, вопределённый детектор, то, так как все расстояния в установке известны, по времени попадания в детектор мы можем определить скорость,с которой двигался нейтрон после рассеяния (то есть его энергию), апо положению того детектора, в который нейтрон попал, определитьизменение вектора импульса нейтрона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
