Главная

Лаборатория нейтронных физико-химических  исследований

 

Руководитель: д.ф.-м.н. Лебедев В.Т.

МОДУЛЯЦИОННЫЙ СПИН-ЭХО СПЕКТРОМЕТР (SEM) IN3

В.Т. Лебедев, В.М. Лебедев, Ю.В. Кульвелис, И.Н. Иванова, Д.Н. Орлова

Спектрометр неупругого рассеяния поляризованных нейтронов SEM (IN3) разработан на базе оригинального принципа модуляции нейтронного спектра по длинам волн фазой ларморовской прецессии спина нейтрона в магнитном поле с целью измерения динамической функции рассеяния изучаемых объектов S(q,t) ~ òS(q,w)cos(wt)dw в диапазонах времени атомных и молекулярных движений t = 10-12-10-8с (переданные энергии ~ 10-9 эВ). Таким путем достигается рекордное энергетическое разрешение относительно начальной энергии нейтрона ΔE/E ~ 10-6 - на 3-4 порядка выше, чем в классических методах (например, кристалл-дифракционные).

Методология прибора усовершенствована с целью одновременного измерения четной и нечетной компонент функции рассеяния Seven(q,t) ~ òS(q,w)cos(wt)dw, Sodd(q,t) ~ òS(q,w)sin(wt)dw. Это позволяет анализировать асимметрию частотных спектров S(q,w) исследуемых систем, например, детектировать возбуждение мягких осциллирующих мод на фоне диффузионных (релаксационных) процессов [Лебедев В.Т. Способ исследования структурно-динамических свойств вещества. Патент. Бюллетень изобретений 27.06.2008. № 18. RU 2327975 С1].

С помощью модуляционного принципа в спектрометре объединены методы спин-эхо и 3D-анализа поляризации, что в строгом смысле невозможно в традиционной спин-эхо спектроскопии. В приборе раздельно анализируется изменение импульса и спинового состояния нейтрона, что принципиально важно при изучении объектов, обладающих спиновой зависимостью сечений нейтронного рассеяния (магнетики, сверхпроводники, водородсодержащие среды; комбинированные объекты, включающие ядерные спиновые и магнитные подсистемы).

Создание спектрометра, не имеющего аналогов в мире, служит целям развития атомной и молекулярной физики, физики твердого тела, химической физики и молекулярной биологии и принесет важные результаты в области динамики жидких кристаллов, молекулярных комплексов и кластеров (мицеллы, везикулы поверхностно-активных веществ), полимеров в растворах и блоке, биологических структур,  фуллеренов и производных, спиновых стекол, феррожидкостей и ферроэластомеров, сверхпроводников.

В кристаллических материалах спектрометр позволит обнаружить движения дефектов в пико- и наносекундном диапазонах (генерация и смещение дислокаций, наноразмерных пор, микротрещин), что радикально усилит возможности диагностики ресурса прочности, старения, явлений предразрушения конструкционных материалов в условиях ионизирующих излучений, механических нагрузок и температур (реакторные стали и сплавы).

Создание спектрометра необходимо для решения комплекса задач в области синтеза, разработки технологий производства молекулярных комплексов с наноразмерными феррочастицами (феррожидкости, феррогели, ферроэластомеры), стабилизированными с помощью поверхностно-активных веществ и углеродных оболочек, для применений в медицине (направленная доставка лекарств под действием магнитных полей для лечения онкологических заболеваний, фотодинамическая терапия). Актуальные технические применения спектрометра служат целям создания и исследования новых наноструктурированных материалов с ультра-дисперсными суперпарамагнитными частицами, функциональные свойства которых определяются динамикой магнитных моментов частиц (тонкие покрытия, эффективно поглощающие электромагнитные излучения, гибкие магнитопроводы, микроприводы).

Спектрометр SEM. 1 – селектор, 2 – поляризатор нейтронного пучка, 3 – флиппер; 4 – магнит прецессии, 5 – анализатор поляризации пучка, падающего на образец, 6 – образец, 7 – мост подвижный, 8 – детектор с анализатором поляризации, 9 – общая платформа.

 

Разработанный в ПИЯФ РАН cпектрометр SEM - оригинальный прибор, не имеющим аналогов в мире. Методология и технические решения, заложенные в основу прибора, прошли успешное тестирование на физической модели прибора, созданной в масштабе 1:2 на реакторе ВВРМ ПИЯФ. Получены принципиальные физические результаты: впервые изучена динамика магнитных неоднородностей в высокотемпературном сверхпроводнике второго рода на временных масштабах десятков и сотен пикосекунд [Lebedev V.T., Torok Gy., Cser L., Sibilev A.I.  Dynamics of magnetic flux inhomogeneities in Y-Ba-Cu-O-ceramics. // Physica B 297 (2001) p.55-59].

Габаритные размеры установки:

  • Общая длина спектрометра 8,0 метров.

  • Расстояние «нейтроновод НВ-2 – узел образца»  5 метров.

  • Расстояние «узел образца детекторная система 3 метра.

  • Детекторная система на подвижной платформе может вращаться вокруг оси образца в угловом диапазоне от  –15о до 60о.

  Основные физические параметры  спектрометра

Параметр

Значение

Длина волны

 l = 0.4 - 20 нм

Монохроматичность

Dl/l = 13 %

Сечение нейтронного пучка

30×80 мм2

Поляризация на образце

P0 = 0.95

Диапазон переданных импульсов

q = 0.1 10 нм -1

Диапазон переданных энергий

DE = 10-8 10-3 эВ

Внешние условия на образце

Температура от 4,2 К до 600 К, магнитное поле до 2 Тл