Экспериментальная база реактора ВВР-МФизика конденсированного состоянияВведениеСразу с пуском реактора ВВР-М Г.М.Драбкиным и С.В.Малеевым были организованы экспериментальная и теоретическая группы для нейтронного исследования физики конденсированного состояния (ФКС). Этот теоретико-экспериментальный тандем коллективов сохранился до сих пор, обеспечивая высокий уровень исследований. Кроме исследований атомной и магнитной структуры кристаллов особое внимание было уделено малоугловому рассеянию поляризованных нейтронов. Зависимость сечения магнитного рассеяния от взаимного направления намагниченности m = M/M, вектора рассеяния e = q/q и начальной скорости нейтронов позволяла ставить эксперименты по малоугловому рассеянию с задачами, которые традиционными методами не решались. Предвидение Г.М.Драбкиным эффективности использования поляризованных нейтронов и созданная С.В.Малеевым теория рассеяния послужили основой для научной программы на реакторе ВВР-М, а квантовая теория деполяризациии (С.В.Малеев, В.А.Рубан) и последующие теоретические разработки определили преимущественно "поляризационное" направление экспериментальных исследований, в становлении которого основную роль сыграл Г.М.Драбкин. Уникальные возможности поляризованных нейтронов связаны с наличием в сечении магнитного рассеяния псевдовекторов M= m-(em)e (О.Халперн и М.Джонсон, 1939), M11=(em)e (С.В.Малеев, 1961) и n=[k',k]/|[k',k]| (А.В.Лазута, С.В.Малеев, Б.П.Топерверг, 1978), где k и k' -волновые векторы, соответственно, падающих и рассеянных нейтронов. Использование этих псевдовекторов и соотношения P=-e(ePo) в сочетании с векторным анализом поляризации позволяет в одном эксперименте отделять магнитное рассеяние от ядерного и фона экспериментального зала и разделять магнитное рассеяние на упругую и неупругую составляющие, т.е. получать полную информацию об актах рассеяния. Основной особенностью использования поляризованных нейтронов является тот факт, что в отличие от обычных экспериментов по малоугловому рассеянию, здесь стало возможным изучать динамические спиновые явления без традиционного анализа рассеянных нейтронов по энергии, а анализом только вектора поляризации P. При этом чувствительность к переданной энергии может составлять 10-7эВ/1%Pz для нейтронов с длиной волны = 10. Другой важной особенностью является возможность исследования асимптотических пределов по энергии по сравнению с полушириной квазиупругого спектра Всего для физики твердого тела создано 12 приборов, 7 из которых оснащены поляризующей техникой. Некоторые установки и их фрагменты являются прототипами инструментальной базы реактора ПИК. Малоугловое рассеяние и магнитные явленияТематика исследования неупорядоченного состояния, включающая критические явления при ферромагнитных фазовых переходах, спиновые корреляции и спиновую динамику в аморфных магнетиках, спиновых стеклах и феррожидкостях, надмолекулярную структуру полимеров и пр., обеспечена четырьмя установками малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов SAPNS (Small Angle Polarized Neutron Scattering) SAPNS-VECTOR, 3DAPN, RPN, SANS-MEMBRANA и спин-эхо спектрометром MSES. Эксперименты по малоугловому рассеянию поляризованных нейтронов проводились (и проводятся) на установке SAPNS-VECTOR (В.В.Рунов, А.И.Окороков, канал 4), оборудованной трехмерным (векторным) анализом поляризации. Пучок формируется зеркальным фильтром в канале реактора, поляризуется отражением от малогабаритной сборки пластин Si с напыленным Fe/Al суперзеркалом и монохроматизируется пространственным спиновым резонатором с возможностью плавно изменять длину волны нейтронов от В настоящее время в мире существует несколько установок с трехмерным анализом поляризации, но работают они или на пучках нейтронов, прошедших образец в прямом направлении (деполяризация нейтронов) или на Брэгговском отражении. SAPNS-VECTOR является пока единственной установкой, работающей с малоугловым рассеянием (включающим, конечно, и прямой пучок), где реализуются все основные преимущества поляризованных нейтронов, связанные с упомянутыми выше псевдовекторами Значительная часть экспериментов на установке SAPNS-VECTOR связана с изучением магнитных фазовых переходов. Интерес к ним возник сначала с целью проверки гипотезы подобия, но по мере развития метода поляризованных нейтронов критическое рассеяние стало объектом исследования уникальных аспектов физики магнетизма. Было исследовано критическое рассеяние в Ni, Fe, PdFe(4ат.%), аморфных сплавах, спиновых стеклах, феррожидкостях, инварных сплавах и т.д. Некоторые результаты, полученные с использованием трехмерного анализа поляризации:
Эти результаты получены при исследовании парных спиновых корреляций, которые обычно и изучаются в нейтронном рассеянии. В 1979 г. экспериментально (А.И.Окороков, А.Г.Гукасов, В.В.Рунов) и теоретически (А.В.Лазута, С.В.Малеев, Б.П.Топерверг) был обнаружен эффект лево-правой асимметрии рассеяния поляризованных нейтронов в намагниченном образце. Эффект связан с антисимметричной частью сечения рассеяния, описываемой трехспиновой функцией Грина G(3), и в определенной (наклонной) геометрии опыта позволяет изучать трехспиновые динамические корреляции. Этим методом по критическому рассеянию выше Тс исследована спиновая динамика в Fe в магнитном поле:
Исследования с трехмерным анализом поляризации в прошедшем пучке проводятся на установке 3DAPN (Г.П.Гордеев, канал 14), предназначенной для изучения магнитных неоднородностей (магнитная текстура, феррожидкости, магнитная структура в сверхпроводнике и т.д.). Пучок предварительно монохроматизируется (= 2,3 ) отражением от монокристалла, поляризуется магнитным зеркалом (Р>95%) и начальный вектор поляризации ориентируется в пространстве с точностью 1% по компонентам Рi. Поток нейтронов на образце Низкочастотная динамика магнитных (и немагнитных) систем, таких как феррожидкости, сверхпроводники и т.д., изучается на модернизированном спин-эхо спектрометре MSES (В.Т.Лебедев, канал 11), который является спектрометром квазиупругого рассеяния поляризованных нейтронов с модуляцией спектра фазой прецессии спина нейтрона. В спектрометре используются нейтроны со средней длиной волны = 6,5 и поляризацией Р>95%, диапазон упругих переданных импульсов 0,01<q<0,3-1, разрешение по энергии Малоугловой нейтронный дифрактометр SANS-MEMBRANA (Г.А.Евмененко, В.Л.Алексеев, канал 5) предназначен для изучения надатомной структуры конденсированных сред масштаба 20-1000 (полимеры, коллоидные системы, материаловедение). Аналогично установке SAPNS-VECTOR, пучок формируется поляризующей системой с магнитным монохроматором на основе ПСР и детектируется многосчетчиковой системой из 41 нейтронного счетчика СНМ-50 диаметром 12 мм и рабочей высотой 80 мм. Перед детектором имеется защитная маска из Cd с вертикальными щелями, регулируемыми по ширине. Использование маски и сканирования ею в пределах 12 мм позволяет изменять угловое разрешение детекторной части установки от На канале 12 создается рефлектометр поляризованных нейтронов RPN (Г.П.Гордеев) с отражением в вертикальной плоскости для изучения свободной поверхности жидкостей. В частности, планируются эксперименты с изучением структуры и динамики феррожидкости при приложении внешнего магнитного поля, изменяющего устойчивость поверхности. Для рефлектометра планируется PG-монохроматор, зеркальный поляризатор, 20-канальная детекторная система с апертурой 16о и угловым разрешением 0,01о. Магнитное упорядочениеПриборы PD, CSPN и SCD составляют комплекс для изучения магнитного упорядочения и спиновой динамики с анализом поляризации (лаборатория В.П.Плахтия). Высокосветосильный порошковый дифрактометр PD (И.В.Голосовский, канал 1), на котором выполняется большинство нейтронографических исследований, имеет 48 счетчиков с соллеровскими пленочными коллиматорами перед ними. Он обладает хорошим разрешением в области малых и средних переданных импульсов, т.е. там, где магнитное рассеяние максимально. В последние годы на дифрактометре выполнен большой цикл работ по определению магнитных структур в двухподрешеточных купратах, известных как "зеленая" Корреляционный спектрометр поляризованных нейтронов CSPN (О.П.Смирнов, канал 6) создан для исследования спиновой динамики и для дифракционных экспериментов с анализом поляризации. Использование поляризующего нейтроновода, время-пролетной методики с псевдослучайной модуляцией поляризации нейтронного пучка и схемы обратной геометрии, при которой анализ спектра происходит после рассеяния на образце, позволили получить параметры прибора, сравнимые с лучшими аналогами на высокопоточных реакторах: интенсивность нейтронов в случае кристалла Гейслера в качестве анализатора Для исследования кристаллической и магнитной структуры используется стандартный четырехкружный дифрактометр SCD (Ю.П.Черненков, канал 13а) с монохроматорами Cu, Ge, Pb. Возможна замена гониометрического кольца криостатом. В этом случае детектор может двигаться в вертикальной плоскости в угловом диапазоне от -5 до 30о. В дополнение к нейтронным созданы автоматизированные рентгеновские установки для исследования монокристаллов: двухосный и четырехкружный дифрактометры. Основная тематика исследований на этом комплексе приборов связана с изучением магнитной структуры и обменного взаимодействия, двухподрешеточных антиферромагнитных систем, купратов редких земель, кислородного упорядочения в ВТСП системах и т.д. Основные результаты:
Особое место в исследованиях с поляризованными нейтронами в ПИЯФ занимает проблема киральности. Так уж исторически случилось, что ПИЯФ является монополистом в области экспериментального исследования киральных (трехспиновых) корреляций. Впервые киральные корреляции были теоретически (А.В.Лазута, С.В.Малеев, Б.П.Топерверг) и экспериментально (А.Г.Гукасов, А.И.Окороков и др.) обнаружены и исследованы в 1977 году в критическом рассеянии на Fe в нулевом магнитном поле при Т-Тс=4-55 К. Измерялась лево-правая асимметрия рассеяния, следующая из упомянутого выше псевдовектора С конца 80-х годов исследования проводятся в тесном контакте с Институтом Лауэ-Ланжевена. Структурные особенности и физические свойства Структурные особенности и их связь с физическими свойствами различных соединений исследуются с использованием время-пролетного дифрактометра RTOF Mini-SFINKS и гамма-дифрактометра GD. Порошковый дифрактометр RTOF Mini-SFINKS (В.А.Трунов, канал 9) создан в 1984 г. совместно с Центром Технических Исследований VTT Финляндии. В нем используется обратный время-пролетный метод (RTOF) с Фурье-прерывателем, позволяющим получать разрешение d/d=0,25%. Детектор обратного рассеяния имеет апертуру На этом дифрактометре:
Изучение реального состояния совершенных монокристаллов, естественной и наведенной дефектности проводится на гамма-дифрактометре GD (А.И.Курбаков, реакторный зал). В качестве источника гамма-излучения (200 Cu) используется активированная тепловыми нейтронами золотая пластинка размером Неупругое рассеяние Неупругое рассеяние в классическом понимании исследуется на трехосном спектрометре IN NEUTRON-3 (Н.М.Окунева, Физико-Технический институт им.А.Ф.Иоффе, С-Петербург, канал 3). Спектрометр имеет сдвоенный монохроматор и анализатор из монокристаллов Cu(220) c 2d=2,556 , Cu(200) c 2d=3,608 и пирографита (002) c 2d=6,71 . Длина волны падающих нейтронов от 1 до 4 , максимальный поток на образце 106 н/см2с, разрешение по энергии Нейтронная оптика Время-пролетный рефлектометр TOFRPN (А.Ф.Щебетов, канал 13) используется для тестирования нейтронно-оптической техники, произведенной силами Отдела нейтронной оптики (ОНО) ПИЯФ. Основные элементы рефлектометра: поляризатор-зеркало с CoFe-покрытием и TiGd-подслоем, прерыватель - Cd-диск со щелями, флиппер, образец, анализатор, детектор. Используется диапазон длин волн = 1-4 , разрешение время-пролетного спектрометра по длине волны = 0,1-0,025, угловая ширина падающего на образец пучка 0,1 мрад, поток на образце Кроме тестирования нейтронных элементов на установке проводятся исследования магнитных и немагнитных многослойных структур с целью определения реальных параметров структуры и ее совершенства. Радиационная физика Реактор ВВР-М оборудован низкотемпературной гелиевой петлей LTHeL (Р.Ф.Коноплева, вертикальный канал), позволяющей изучать квазистационарные неупорядоченные состояния и различные переходные явления, возникающие в процессе нейтронного облучения твердых тел. Использование "замороженного состояния" диффузионных процессов при температурах 20 К позволяет получить различную степень неупорядоченного состояния, дает возможность изучать различные этапы дефектообразования и изучать влияние нейтронного облучения на низкотемпературные процессы и фазовые переходы, изучать низкотемпературную радиационную стойкость материалов. При исследовании изменений электрофизических свойств ВТСП-материалов (YBCuO-керамики и пленок) в процессе низкотемпературного |