Главная

Лаборатория нейтронных физико-химических  исследований

 

Руководитель: д.ф.-м.н. Лебедев В.Т.

МНОГОРОТОРНЫЙ ВРЕМЯ-ПРОЛЕТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР

НЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ IN4

В.Т. Лебедев, В.М. Лебедев, Ю.В. Кульвелис, Е.Ф. Сырых (КИАЭ), Д.Торок (ИФТТ АН Венгрии), Д. Кали  (ИФТТ, АН Венгрии)

В ходе разработки IN4 классический метод анализа неупругого рассеяния нейтронов по времени пролета (TOF) был усилен зонной концепцией для мощных источников нейтронов нового поколения с длинными (миллисекундными) импульсами излучения, что позволяет соединить преимущества стационарных и импульсных источников [1, 2].

Длинно-импульсный источник создается с помощью зонного прерывателя (чоппера). Он пропускает широкую полосу длин волн, которая преобразуется в систему линий для задач дифракции и неупругого рассеяния.

Спектрометр IN4 с системой чопперов (Ch) проводит угловой и энергетический анализ рассеянных нейтронов с целью определения структуры и динамики вещества в различных состояниях и условиях (жидкая и твердая фаза, дисперсии, наноразмерные объекты).

Преимущество зонного метода – светосила, на порядок и более превышающая таковую для обычного TOF на монолинии. Этим обеспечивается высокая эффективность прибора для анализа атомной и молекулярной динамики в широком спектре направлений:

  • материаловедение (водород в металлах, динамика дефектов при диагностике старения, разрушения реакторных материалов), задачи поиска связи динамических микропараметров с важными функциональными свойствами объектов;

  • полимеров в растворах и блоке, жидкости, коллоиды, гели, растворы биологических макромолекул,

  • молекулярные кристаллы, атомные кластеры (фуллерены и нанотрубки, другие наноструктуры),

  • аморфные твердые тела (стекла, керамики, слоистые и пористые структуры, цеолиты),

  • объекты молекулярных технологий (фармацевтические и косметические препараты, сенсоры, мембраны, катализаторы).

Возможности спектрометра тонко анализировать поведение сложных молекулярных объектов в растворах будут применены (ПИЯФ) в разработках технологий получения, разделения, очистки фуллеренов, эндометалло-фуллеренов и производных (водорастворимых, полимерных), радио-металлофуллеренов для различных применений (технические – лубриканты, контрастирующие медицинские – препараты для ЯМР-диагностики).

Cпектрометр неупругого рассеяния нейтронов IN4: 1 - сдвоенный прерыватель Ch1-2 для формирования импульсов и прерыватель Ch3, задающий частоту их повторения; 2 - зонный чоппер Ch-4;  3 - чоппер Ch-5, задающий разрешение спектрометра,  4 – узел образца, 5 – набор детекторов, 6 – 2D-детектор, 7 - секции нейтроновода; 8 - блоки биологической защиты.

Анализ динамики производится при переданных энергиях DЕ = 0,1 – 10 мэВ, в области импульсов q = (0.1 – 10) нм-1. Разрешение по энергии улучшается с ростом длины волны, DЕ µ 1/l3, поэтому для прибора выбран нейтроновод НВ1 c длиной волны нейтронов на выходе l ³ 0.5 нм.

На выходе НВ-1 установлены прерыватели Ch1,2, роторы которых вращаются в противоположные стороны, формируя пучок сечением 25×100 мм2. Ширина линий определяется частотой вращения и расстоянием между Ch1 и Ch5. Чоппер Ch3 регулирует частоту импульсов, предотвращая их перекрывание на образце для коротких и длинных волн. Чоппер Ch4 с широкими окнами (90о) работает согласованно с Ch3 и перекрывает прохождение нежелательных длин волн. Длины импульсов и периоды повторения даны в табл.1 для максимальной частоты вращения роторов.

Таблица 1. Длины нейтронных импульсов t и периоды их повторения T

Ch №

    1-2

      3

        4

      5

t , мксек

    195

    281

     3750

     139

T, мксек

    5000

    3750

     7500

     5000

Пролетная база «Ch1-детектор» LF = 20 м определяет разрешение прибора (минимальная ширина линии Dl/l = 1%). Расстояние  Ch1-Ch5 длина монохроматора L15, база образец-детектор LSD и расстояние между Ch5 и образцом оптимизированы с помощью уравнений для интенсивности и разрешения [3]. Детектор, включающий 2D-модуль (размер100×100 см2) и 300 счетчиков (диаметр 18 мм, высота 300 мм) в линию, перекрывает диапазон углов рассеяния -7.5о q  ≤  150о. База образец-детектор LSD = 3.61 м, полный телесный угол детектора W = 0,25 ст.рад. 2D-детектор перекрывает диапазон углов 0.1оq  ≤ 7.5о.

 Таблица 2.  Основные параметры спектрометра IN4

Параметр

Значение

Размер образца максимальный

50×100 мм2

Длина монохроматора

15,27 м

Частота вращения роторов

2000-12000 об./мин.

Диапазон длин волн

0,5 £ l £ 2,0 нм

Диапазон переданных энергий

0,05 < E < 20 мэВ

Разрешение по энергии

30 < DE < 2000 мкэВ

Поток нейтронов на образце, l=0.6 нм, разрешение DE = 200 мкэВ

1×105 cм-2с-1

Угловой диапазон линейного детектора

8о £ q £ 148 о

Диапазон 2D-детектора

0,1о £ |q| £ 7,5о

База –«Ch1-2» -образец»

«образец-детектор»

15,27 м

3,61 м

Габаритные размеры установки

21×8 м2

1. F.Mezei, Complementarity of long pulse and short pulse spallation sources. // ICANS-XIII, 13th Meeting of the Int.Collab.on Advanced Neutron Sources. Oct.11-14, 1995. Paul Sherrer Inst., 5232 Villingen PSI, Switzerland.

2.  F.Mezei, The concept of long pulse neutron sources. Acta Physica Hungarica. Heavy ion. Physics. v.1, N3-4, p.209-226 (1995).

3. R.E.Lechner, Optimization of multi-disk chopper spectrometer for cold neutron scattering experiments.// ICANS-XI Int.Collab. on Adv.Neutron Sources. Oct. 22-26, 1990, KEK, Tsukuba, Japan. p.717-732.