Спектрометр неупругого рассеяния нейтронов в обратной геометрии BJN

Руководитель: Д.М. Худоба

Установка BJN (Байорек-Яник-Натканец) представляет собой спектрометр неупругого рассеяния нейтронов (НРН) в обратной геометрии. Создание современного конкурентоспособного спектрометра НРН на ИБР-2 необходимо для значительного расширения круга решаемых задач и эффективной реализации возможностей нейтронной спектроскопии в исследованиях атомной и магнитной динамики конденсированных сред. Наличие такого инструмента существенным образом расширит область применения НРН, так как, обладая рекордной светосилой, позволит проводить исследования с образцами, имеющими малое сечение рассеяния или доступными в малых количествах, что в целом приведет к существенному расширению возможных объектов исследования и повысит конкурентоспособность и эффективность исследований, проводимых в ЛНФ.

Рис. 1. Физики ЛНФ, работы которых впервые в мире привели к созданию нового направления – спектрометрии неупругого рассеяния нейтронов в обратной геометрии.

Основные научные направления и объекты исследований

Рассеяние нейтронов позволяет получать уникальную информацию о свойствах конденсированных сред. Это обусловлено рядом свойств нейтрона и характером его взаимодействия с веществом. В процессе неупругого рассеяния, нейтроны могут возбуждать атомные/молекулярные колебания или активировать стохастические движения посредством обмена энергией и импульсом. Для неупругого некогерентного рассеяния интенсивность пропорциональна пространственно-временному преобразованию автокорреляционной функции Фурье , которая описывает вероятности нахождения частицы в положении  и момент времени t, когда та же самая частица находилась в =0 при t = 0. Это позволяет получать информацию о динамике изучаемого объекта на микроскопическом уровне.

Следует отметить, что использование нейтронов, в качестве зонда для изучения атомной и магнитной динамики имеет ряд уникальных особенностей:

• «Прямое» спектроскопическое наблюдение атомных / магнитных возбуждений как функции энергии и переданного импульса.
• Возможность видеть эволюцию динамики исследуемого вещества при фазовом переходе, например, поведение мягкой акустической моды вблизи температуры структурной неустойчивости.
• Можно достаточно легко достигать области передач энергий в несколько сотен мэВ (тысяч см^-1).
• Благодаря исключительно большому сечению некогерентного рассеяния ядер водорода (80.26 барн), измерения колебательных спектров водородсодержащих объектов может очень эффективно проводиться методом НРН.
• Наличие магнитного момента позволяет изучать магнитную динамику.
• Высокая проникающая способность нейтрона для большинства материалов, позволяет получать детальную информацию о динамике исследуемого объекта в объеме, что является существенным преимуществом перед оптическими и рентгеновскими методами.
• Сечение рассеяния зависит от изотопов, поэтому изотопное замещение используется для уточнения спектроскопической информации.

Основной спектр задач:

Исследование на микроскопическом уровне структурных фазовых переходов;

Исследование процессов диффузии протонов в системах с различными типами водородных связей;

Исследование динамики протонов в молекулярных кристаллах в широкой области передач энергий;

Исследования ассоциативных взаимодействий химических частиц, в том числе систем с образованием водородных связей различных типов;

Исследования магнитной динамики в соединениях с 4f и 3d переходных металлов.

Основные объекты исследования:

Молекулярные кристаллы и их фазовые производные;

Фармацевтические препараты в объемном состоянии и в виде «микронизированных» или «аморфизированных» порошков;

Новые биологически активные соединения, включая нано структурированные;

Материалы для накопления энергии;

Интерметаллические соединения 4f и 3d переходных металлов;

Катализаторы;

Фотонные материалы промышленного применения;

Нанокомпозитные материалы.

Концепция спектрометра

Спектрометр по времени пролета в обратной геометрии является относительно недорогим и очень эффективным инструментом для нейтронно-спектроскопических исследований и практически идеально подходит для импульсного источника нейтронов (ИБР-2). Концептуальный вид и принципиальная схема установки приведены на рис. 2.

Рис. 2. Концептуальный вид и принципиальная схема установки BJN

Первичный спектрометр состоит из двух основных элементов:

- Зеркальный нейтроновод (~100 м) с фокусирующей конечной частью (~25 м)

Нейтронная оптика будет оптимизирована для диапазона длин волн 0,5-4.2 Å (т.е. для значений передачи энергии 0-330 мэВ). Размер пучка на месте образца: 3×3 см.

- Система прерывателей.

• Подавление фона запаздывающих нейтронов.
• Выделение полосы пропускания с целью устранения перекрытия вспышек нейтронов.

Вторичный спектрометр включает систему анализаторов (охлаждаемые бериллиевые фильтры, ВОПГ), детекторную систему. Основная концепция вторичного спектрометра приведена на рис. 3.

Рис. 3. Основная концепция вторичного спектрометра установки BJN

Оптимальным выбором материала для отражающей поверхности анализатора является высоко ориентированный пиролитический графит (ВОПГ), имеющий при энергии ~ 4,5 мэВ для отражения (002) высокую (~ 70%) отражательную способность. Охлажденный до ~ 100 К бериллиевый фильтр, предназначенный для подавления отражений высокого порядка от кристаллов графита, будет установлен между образцом и ВОПГ анализатором.

Ожидаемые результаты

Одним из преимуществ нового спектрометра на реакторе ИБР -2 будет его высокая светимость. Эта особенность приведет к лучшему, практически без потерь использованию нейтронного пучка, что даст значительное сокращение продолжительности эксперимента и возможность работы с небольшой массой образца. В целом, предложенный инструмент будет лучшим с точки зрения эффективности использования нейтронов. Результаты, полученные с помощью нового спектрометра, будут соответствовать уровню результатов, полученных на ведущих приборах неупругого рассеяния нейтронов в Европе.

Ожидаемые характеристики нового спектрометра НРН по сравнению с действующим спектрометром НЕРА

	НЕРА	Новый спектрометр BJN	Пояснения
Площадь анализатора	15×3×25 1125 см2	4×4×2100 33600 cм2
Отношение площадей входа и выхода нейтроновода	16×5 см2/5×5 см2 3.2	20×20 см2 / 3×3 см2 44.44	Выигрыш в плотности потока (без учета качества нейтроновода) 44.44/3.2 = 14
Телесный угол	~ 0.2 sr	~ 6.4 sr	Выигрыш в телесном угле 30
Отношение светосилы НЕРА и планируемого инструмента			30×14 = 420 будут возможны измерения с образцами ~ 10-20 мг