Nötron saçılımı - Neutron scattering

Serbest nötronların madde tarafından düzensiz dağılımı olan nötron saçılması , doğal olarak meydana gelen fiziksel sürecin kendisine veya malzemeleri araştırmak için doğal süreci kullanan insan yapımı deneysel tekniklere atıfta bulunabilir. Doğal / fiziksel fenomen, nükleer mühendislik ve nükleer bilimlerde temel öneme sahiptir . Deneysel teknikle ilgili olarak, nötron saçılmasının anlaşılması ve manipüle edilmesi, kristalografi , fizik , fiziksel kimya , biyofizik ve malzeme araştırmalarında kullanılan uygulamalar için esastır .

Nötron saçılımı, çeşitli yoğunluklarda nötron radyasyonu sağlayan araştırma reaktörlerinde ve spallasyon nötron kaynaklarında uygulanmaktadır . Yapıları analiz etmek için nötron kırınımı ( elastik saçılma ) teknikleri kullanılır; elastik olmayan nötron saçılmasının atomik titreşimleri ve diğer uyarımları incelerken kullanıldığı yerlerde .

Hızlı nötronların saçılması

"Hızlı nötronlar" ( nötron sıcaklığına bakın ) 1 MeV'nin üzerinde kinetik enerjiye sahiptir  . Hareketsiz bir parçacıkla elastik bir çarpışmanın geçerli bir deneysel yaklaşımı olarak yoğunlaştırılmış madde - 1 eV'nin çok altında kinetik enerjilere sahip çekirdekler - tarafından saçılabilirler . Her çarpışmada, hızlı nötron kinetik enerjisinin önemli bir kısmını saçılma çekirdeğine (yoğun madde) aktarır, çekirdek o kadar hafiftir. Ve her çarpışmada, "hızlı" nötron, dağıldığı malzeme ile termal dengeye ulaşana kadar yavaşlar.

Nötron moderatörleri , kinetik enerjileri 1 eV'nin (T <500K) altında olan termal nötronları üretmek için kullanılır . Termal nötronlar, bir nükleer reaktörde bir nükleer zincir reaksiyonunu sürdürmek için ve nötron saçılım deneylerinde ve nötron biliminin diğer uygulamalarında bir araştırma aracı olarak kullanılır (aşağıya bakınız). Bu makalenin geri kalanı, termal nötronların saçılması üzerine yoğunlaşıyor.

Nötron madde etkileşimi

Nötronlar elektriksel olarak nötr olduklarından, benzer kinetik enerjiye sahip elektrik yüklü parçacıklardan daha derin bir şekilde maddeye nüfuz ederler ve bu nedenle yığın özelliklerinin sondaları olarak değerlidirler.

Nötronlar atom çekirdekleriyle ve eşleşmemiş elektronlardan gelen manyetik alanlarla etkileşime girerek nötron saçılım deneylerinde belirgin parazit ve enerji transferi etkilerine neden olur . Çekirdeği çevreleyen elektron bulutu ile etkileşime giren benzer bir dalga boyuna sahip bir x-ışını fotonundan farklı olarak , nötronlar, Fermi'nin sözde potansiyelinin tanımladığı gibi, öncelikle çekirdeğin kendisiyle etkileşime girer . Nötron saçılımı ve soğurma kesitleri , izotoptan izotopa büyük ölçüde değişir .

Nötron saçılması, izotopa bağlı olarak tutarsız veya tutarlı olabilir. Tüm izotoplar arasında, hidrojen en yüksek saçılma kesitine sahiptir. Karbon ve oksijen gibi önemli elementler, nötron saçılmasında oldukça görünür - bu, enine kesitlerin atom numarası ile sistematik olarak arttığı X-ışını saçılmasının belirgin bir zıttıdır . Bu nedenle nötronlar, proteinler ve yüzey aktif maddeler dahil olmak üzere düşük atom numaralı malzemeleri analiz etmek için kullanılabilir. Bu, senkrotron kaynaklarında yapılabilir, ancak yapıların değişmesine neden olabilecek çok yüksek yoğunluklara ihtiyaç vardır. İzotropik potansiyel izotoptan izotopa rastgele değiştiğinden çekirdek çok kısa bir aralık sağlar, bu da (saçılma) kontrastını deneye uyacak şekilde ayarlamayı mümkün kılar.

Saçılma hemen hemen her zaman hem elastik hem de elastik olmayan bileşenler sunar. Elastik saçılmanın fraksiyonu Debye-Waller faktörü veya Mössbauer-Lamb faktörü ile belirlenir . Araştırma sorusuna bağlı olarak, çoğu ölçüm elastik veya esnek olmayan saçılmaya odaklanır.

Bir nötron ışınının kesin bir hızına, yani kesin bir enerjiye ve de Broglie dalga boyuna ulaşmak önemlidir. Bu tür tek enerjili ışınlar "monokromatik" olarak adlandırılır ve monokromatiklik, bir kristal monokromatör ile veya bir uçuş zamanı (TOF) spektrometresi ile elde edilir . Uçuş zamanı tekniğinde, nötronlar, yalnızca belirli bir hızdaki nötronların seçileceği şekilde, iki dönen yarıktan oluşan bir dizi aracılığıyla gönderilir. Hızlı bir nötron nabzı oluşturabilen spallasyon kaynakları geliştirilmiştir. Darbe, birçok farklı hızda veya de Broglie dalga boyunda nötronlar içerir, ancak dağınık nötronların ayrı hızları, daha sonra nötronların numune ile nötron detektörü arasındaki uçuş süresi ölçülerek belirlenebilir .

Manyetik saçılma

Nötronun net elektrik yükü sıfırdır, ancak önemli bir manyetik momente sahiptir , ancak elektronunkinin sadece yaklaşık% 0,1'i kadardır . Bununla birlikte, yoğunlaştırılmış madde içindeki yerel manyetik alanlardan saçılmaya yetecek kadar büyüktür ve düzenli manyetik yapıların ve elektron spin dalgalanmalarının zayıf bir şekilde etkileşen ve dolayısıyla nüfuz eden bir probu sağlar.

Esnek olmayan nötron saçılması

Esnek olmayan nötron saçılım deneyinin genel düzeni

Esnek olmayan nötron saçılması , yoğunlaştırılmış madde araştırmalarında atomik ve moleküler hareketin yanı sıra manyetik ve kristal alan uyarımlarını incelemek için yaygın olarak kullanılan deneysel bir tekniktir . Nötronlar ile örnek arasındaki çarpışmanın esnek olmayan bir çarpışması olduğunda ortaya çıkan kinetik enerjideki değişikliği çözerek kendisini diğer nötron saçılma tekniklerinden ayırır. Sonuçlar genelde iletilir dinamik bir yapıya sahip faktör (ayrıca elastik olmayan saçılma kanunu olarak da adlandırılır) , bazen de dinamik duyarlılık olarak saçılma vektör , gelen ve giden arasındaki fark olan bir dalga vektör ve numunenin (negatif bu yaşadığı enerji şansına olduğu dağınık nötron). Sonuçlar fonksiyonu olarak işaretlendiğinde , genellikle geleneksel spektroskopik tekniklerle elde edilen spektrumlarla aynı şekilde yorumlanabilirler ; esnek olmayan nötron saçılmasının özel bir spektroskopi olarak görülebileceği ölçüde.

Esnek olmayan saçılma deneyleri normal olarak olay veya giden ışının tek renklendirilmesini ve saçılmış nötronların enerji analizini gerektirir. Bu, uçuş zamanı teknikleri ( nötron uçuş zamanı saçılması ) veya tek kristallerden ( nötron üç eksenli spektroskopi , nötron geri saçılması ) Bragg yansıması yoluyla yapılabilir . Genliklerine ek olarak nötronların kuantum mekanik fazını kullanan eko tekniklerinde ( nötron spin eko , nötron rezonans spin eko ) monokromatizasyon gerekli değildir .

Tarih

İlk nötron kırınım deneyleri 1930'larda yapıldı. Bununla birlikte, nükleer reaktörlerin ortaya çıkmasıyla 1945 civarında, yüksek nötron akılarının mümkün hale gelmesi, derinlemesine yapı araştırmaları olasılığına yol açmıştı . İlk nötron saçılım cihazları, çok amaçlı araştırma reaktörlerindeki ışın tüplerine yerleştirildi. 1960'larda, ışın tüpü deneyleri için optimize edilmiş yüksek akılı reaktörler inşa edildi. Geliştirme , bu tarihe kadar en yüksek nötron akısını elde eden Institut Laue-Langevin'in (1972'den beri faaliyette olan) yüksek akışlı reaktöründe doruğa ulaştı . Birkaç yüksek akışlı kaynağın yanı sıra, üniversitelerde ve diğer araştırma enstitülerinde yirmi kadar orta akışlı reaktör kaynağı vardı. 1980'lerden başlayarak, bu orta akışlı kaynakların çoğu kapatıldı ve araştırmalar, dünyanın önde gelen birkaç yüksek akışlı kaynağında yoğunlaştı.

Tesisler

Bugün, nötron saçılım deneylerinin çoğu, resmi bir öneri prosedürü aracılığıyla nötron kaynaklarında ışın süresi için başvuran araştırma bilim adamları tarafından gerçekleştirilmektedir. Nötron saçılım deneylerinde yer alan düşük sayım oranları nedeniyle, genellikle iyi veriler elde etmek için nispeten uzun ışın süreleri (günler sırasına göre) gerekir. Teklifler, fizibilite ve bilimsel ilgi açısından değerlendirilir.

Teknikler

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar