Разработка время-пролетных спектрометров неупругого

проект 3.9 (2010) Программы ОФН РАН
“ФЭЧ ЯФ ЯТ”
_________________________________________________________________________________________________
25 февраля 2011
Проект 3.9. Разработка время-пролетных
спектрометров неупругого рассеяния нейтронов
на нейтронном комплексе ИЯИ РАН
участники проекта:
Лаборатория нейтронных исследований
Институт ядерных исследований РАН
цель:
создание в ИЯИ РАН современных нейтронных установок, позволяющих
проводить измерения в интересах физики конденсированных сред,
физического материаловедения
_________________________________________________________________________________________________
Экспериментальный комплекс ИЯИ РАН в г.Троицке
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Нейтронный комплекс ИЯИ РАН для исследования конденсированных
сред. 1-я очередь установок на импульсном источнике ИН-06
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Эксперименты на установках 1-й очереди. Нейтронная дифракция
500
Carbonado in-06
Nov 2010
Hercules
MNS
Intensity (counts)
2500
2000
1500
1000
carbonado-MNS-backscattering
400
Intensity (a.u.)
3000
300
200
100
500
0
0
200
400
600
800
Channel (8 s/ch)
1000
1200
0
200
400
600
800
1000
1200
t (mks)
в 2010 г. были получены нейтронные
дифрактограммы эталонных образцов и
образцов функциональных материалов при
нейтронном потоке источника ИН-06 в
несколько единиц % от номинала. Тем самым
продемонстрирован большой потенциал
источника ИН-06 для нейтронной дифракции и
нейтронной спектроскопии, которая требует
высокой светосилы источника
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
d, Å
_________________________________________________________________________________________________
Normalised intensity
Carbonado
Det-7
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
ИН-06 (ИН-10), установки второй очереди
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Установки второй очереди на чертежах проекта ГСПИ-ИЯИ
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Нейтронные спектры источника ИН-06: эксперимент и расчет
эксперимент 2010 г.
Монте-Карло моделирование 2005 г.
3000
Установка "Кристалл" канал VI
число отсчётов
2500
2000
1500
1000
500
0
0.01
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
энергия нейтронов (эВ)
при выборе областей научного применения для установок второй очереди, типов установок и
их параметров мы опирались на расчетные нейтронные спектры - препринт ИЯИ 1140 (2005)
- эксперименты ноября 2010 г. в целом подтвердили расчеты
- спектр ИН-06 существенно ”жестче” спектров прочих российских источников (ИБР-2,
ПИК, ИР-8, ВВР-М, ИВВ-2М) в нем больше горячих и эпитепловых нейтронов, максимум
тепловой (почти максвелловской) части спектра смещен в большие энергии
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Нейтронный спектр ИН-06 в терминах волновых свойств нейтронов
показан спектр на канале установки “Кристалл”
3000
Для физики твердого тела важно:
число отсчётов
(отсчеты)
Интенсивность
2500
Спектр
нейтронов
на установке
1) соответствие
длины
волны нейтрона
"Кристалл" в функции длины волны
межплоскостным расстояниям в кристаллах
2000
2) соответствие передаваемого при рассеянии
нейтронами импульса квазиимпульсам
1500
элементарных возбуждений в твердых телах –
фононов, магнонов, экситонов
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
длинаволны
волнынейтронов
нейтронов λ(А
Длина
(Å))
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Проверка наших возможностей по изменению нейтронных спектров
Интенсивность (отсчеты)
“Кристалл” – нет элементов
нейтронной оптики
“Геркулес” – установлен нейтронный
суперзеркальный концентратор
“Горизонт” – установлен искривленный
суперзеркальный нетроновод
Энергия нейтронов E (eV)
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Сильные и слабые стороны источника ИН-06
Сильные стороны:
 спектр богат горячими и эпитепловыми нейтронами
 контроль над длительностью импульса (1÷100 µs, против 320 µs на ИБР-2)
 отсутствие делящихся материалов, легкий режим доступа
 единственный в стране источник, основанный на победившем в мире принципе
генерации нейтронов для исследования конденсированных сред (SNS, JSNS, ISIS, ESS)
 географический фактор – близость институтов Москвы и окрестностей (пользователи),
большое число вузов (подготовка кадров)
Слабые стороны:
 пока не достигнуты проектные параметры по энергии протонов и току
 высокая стоимость сеанса (электроэнергия) , малое число 10-дневных сеансов в год
 нет набора источников с разным спектром (холодный, тепловой, …)
 малое число физиков и инженеров, обслуживающих и создающих установки на ИН-06
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Выбор областей научных применений
Физика твердого тела:
 сильнокоррелированные электронные системы, тяжелые фермионы, валентно-нестабильные
системы, мультиферроики, сверхпроводники
 магнетики с локализованными моментами, магнетизм коллективизированных электронов
 фазовые переходы, в том числе при высоком давлении и в сильных магнитных полях
 динамические свойства конденсированных сред (твердых тел и “soft matter”)
 межмультиплетные переходы, эффекты кристаллического электрического поля
Материаловедение, физика наносистем, физика Земли:
 водородсодержащие системы (геттеры водорода, полимеры, биологические объекты)
 высокопрочные сплавы, в том числе и с наноразмерными включениям
 тонкие пленки, в том числе магнитные
 соединения земной коры, мантии под высоким давлением
 термоэлектрические и магнитокалорические материалы
 материалы для ядерной энергетики
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Нейтронные спектроскопия и дифракция, соотношение в мире и в РФ
Institute Laue Langevin
Spectroscopy
Diffraction
SNS, Oak Ridge (1st stage)
Spectroscopy
Diffraction
Spectroscopy
Diffraction
13
6
17
9
7
FRM-II, Munich
Spectroscopy
Diffraction
12
JSNS, J-PARC (1st stage)
Spectroscopy
Diffraction
Сумма по РФ
Spectroscopy
Diffraction
4
4
9
ISIS, RAL
5
17
3
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Нейтронное рассеяние
конечный импульс
направление
Законы сохранения



Q  ki  k f
  E i  E f
образец
Полное сечение рассеяния
начальный импульс
дважды дифференциальное сечение рассеяния
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Динамика против статики
статическая
корреляционная функция
S j ' (t  0) S j (t  0)
может быть получена из нейтронной
дифракции
информация о структуре,
только косвенная
информация о динамике
динамическая
корреляционная функция
S j ' (0) S j (t )
может быть получена из спектров неупругого
рассеяния нейтронов
(впервые это показал L. Van Hove в 1954 г.)
прямая информация о динамике, механизме
явлений, прямая связь с микроскопическими
теориями
Связь статических и
динамических свойств
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Спектрометр “Гибрид”
тип прибора: спектрометр по времени пролета прямой геометрии с монохроматором
аналоги: FOCUS (SINQ), HYSPEC (SNS)
область применения:
магнитные возбуждения,
динамика решетки
основные параметры:
переданная энергия
-30 meV < E < 150 meV
энерг. разрешение ~ 5%
(оценка на основе М-К
модели, зависит от Е)
Расст. образец-детектор 4 m
угол рассеяния для
монохроматора:
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Спектрометр “Гибрид”
принцип действия спектрометра
прямой геометрии
E-Q диаграмма для спектрометра
“Гибрид” при Ei=100 meV
рассмотрены и выбраны монохроматоры:
PG002, Cu111
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Минимальный переданный импульс для установки “Гибрид”
7
6
5
2
o
Ei=15 meV
o
90
o
-1
Q (A )
60
4
o
3
2
30
2
o
1
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
E (meV)
Малые переданные импульсы (Q < 4 Å-1) необходимы для исследования магнитного
вклада в рассеяние, поскольку магнитный формфактор быстро спадает с ростом Q
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Разрешение в импульсном пространстве для измерений монокристаллов
при использованнии позиционно чувствительных детекторов (разр. 2 см)
Hybrid Ei=15 meV, A3=-90 deg
0,4
рассчитаны положения
точек в обратном пространстве,
соответствующим разным
пикселям на детекторе и разным
временным каналам для
(монокристалл хрома с
кристаллографическим
направлением [100], повернутом
на угол 90° относительно
импульса падающих нейтронов ki.
0,0
Qk (r.l.u.)
-0,4
-0,8
-1,2
Плоскость рассеяния [100]/[010] )
-1,6
-2,0
-2,0
-1,6
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
Qh (r.l.u.)
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Карта интенсивности для монокристалла хрома – слой из 4х-мерного
пространства Q-E, наши измерения на TOF приборе MAPS (ISIS)
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Прямая геометрия против обратной для TOF спектроскопии
20
Ei=200 meV
2 = 30 to 150 deg.
18
16
14
-1
Q (A )
12
Ei=60 meV
10
8
Ef
6
4.9 meV
4
2
0
-40 -20
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220
neutron energy tranfer (meV)
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Компактный высокосветосильный спектрометр обратной геометрии “Глобус”
область применения:
- динамика решетки, плотность
фононных состояний
- системы с жестким фононным
спектром, ковалентные кристаллы
- вибрационная спектроскопия
тип спектрометра:
TOF прибор обратной геометрии с
Be фильтром (Ef < 5 meV)
Переданные энергии до 1.5 eV
относительное энергетическое разрешение:
δE/E =2 ((δL/L1)2 + ((Ef/Ei) δ ctg() (1+( L2/L1)(Ei/Ef)3/2)2)1/2
выгоднее иметь малое расстояние образецдетектор = вторую пролетную базу L2
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Подавление поглощения при переходе к эпитепловым нейтронам
Сильно поглощают тепловые нейтроны следующие элементы:
B, Cd, Gd, Eu, Sm, In, Er, их слабо поглощающие изотопы дороги и не всегда доступны.
Дифрактометр “Градус ” сделает возможным исследование многих интересных объектов
при использовании естественных изотопных смесей
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Дифрактометр “Градус” для сильно поглощающих нейтроны
материалов и исследований в высоких магнитных полях
область применения:
- кристаллические структуры
соединений B, Cd, Gd, Eu, Sm
- магнитные структуры при
высоких импульсных
магнитных полях
(до 60Тесла)
тип дифрактометра:
малоугловой дифрактометр
Разрешение по
межплоскостному расстоянию
для 10% разрешения по d
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Пример – эксперимент на дифрактометре EXCED (KEK, Япония)
Из доклада M.Arai на ICANS-2005
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Динамика решетки геликоидального магнетика MnSi
Phys. Rev. B 82 (2010) 144307-144311
Линии
Линии –– расчет
расчет в
в LDA
LDA приближении
приближении функционала
функционала плотности
плотности
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Cкирмионы в MnSi
УФН, Новости физики (1 июня 2009): В ряде экспериментов по нейтронному рассеянию были получены
косвенные указания того, что распределение спинов электронов в соединении MnSi имеет
нетривиальную топологическую структуру, состоящую из квазичастиц — скирмионов. Скирмионы
описываются киральными солитонными моделями, предложенными Скирмом в 1961 г. Предполагается,
что в MnSi топологические возбуждения — скирмионы возникают за счет спин-орбитального
взаимодействия и образуют решетку в виде трех спиралей.
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
MnSi: обобщенная и парциальные плотности фононных состояний
0.16
MnSi
Mn
Si
0.14
Phonon DOS
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Energy (meV)
Для получения информации о высокоэнергетичной части фононного спектра MnSi нам
пришлось использовать первопринципные модели. Лучшая модель была выбрана на
основе нейтронных данных при E < 40 meV. На установке “Глобус” было бы возможно
измерение полного фононного спектра, т.е. безмодельное решение проблемы.
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
MnSi – анализ макроскопических магнитных свойств
Решеточный вклад в теплоемкость
0.14
Cp (Joule/mole K)
0.12
Cp / T (Joule / mole K)
1
2
3
4
5
2.0
0.10
0.08
1.5
1.0
Debye
LDAopt
GGAopt
GGAexp
LDAexp
5
4
3
2
1
полная теплоемкость C/T
0.5
0.0
0
10
20
30
40
магнитный и электронный
вклады в C/T
T (K)
0.06
0.04
0.02
0
5
10
15
20
25
30
35
40
T (K)
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Na
Yb
###
###
###
###
Пример – Динамика
решетки каркасно-кластерных (высших) боридов
C
Phys. Rev. B 82 (2010) 024302-024307
C
C
###
C
###
###
YbB12- structure of UB12
C
###
###
type (based on NaCl)
C
###
C
###
###
BCl12
x
yyy
y
C
C
C
###
Me (0,0,0)
C
###
B (½,x,x), x ≈ 0.17C
###
C
###
(Me=Y, Zr, Hf, Gd÷Lu, U)
Symmetry group
Fm3m
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Lattice dynamics in REB12: model calculations & experiment
Force - constant model
Type of
Number of
interacting coordination
PhDOS (meV-1)
atoms
spheres
Characteristic
force constant,
N/m
RE-RE
1
0.5
RE-B
2
5
B-B
9
50-100
Energy (meV)
Phonon dispersion curves along
main symmetry directions
a)
Yb
B
b)
_________________________________________________________________________________________________
q (r.l.u.)
Плотность фононных состояний в додекаборидах
Ab-inito (DFT-LDA) calculations
and experiment
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Пример – изучение сильно поглощающих нейтроны веществ методом
рентгеновской спектроскопии (синхротроны DESY и Сибирь-2)
Zeitschrift für Kristallographie: Vol. 225, No. 11, pp. 482-486 (2010)
Эксперименты проведены в DESY, и
на синхротроне Сибирт=рь-2 НИЦ “КИ”
XANES, LIII край церия
A – вклад Ce3+
B – вклад Ce4+
C – структурная особенность метода
спектроскопии XANES
, rel.units
Gd0.50Ce0.50Ni
Gd0.15Ce0.85Ni
, rel.units
Gd0.85Ce0.20Ni
Gd0.05Ce0.95Ni
A
BC
= 0.05
x = 0.85
x
3+
Ce Ce
4+
5700
5700
5720
5740
E, eV
5760
5720
5740
5760
E, eV
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Температурная зависимость валентности для Gd/PrxCe1-xNi
GdxCe1-xNi
PrxCe1-xNi
3,12
3,20
3,10
3,18
3,08
Ce valence
Ce valence
3,22
3,16
3,14
3,06
3,04
3,12
x = 0.85
x = 0.50
x = 0.15
x = 0.05
3,10
3,08
x = 0.85
x = 0.25
3,02
3,00
0
100
T, K
200
300
0
100
T, K
200
300
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Заключениe и планы на 2011 г.
-
Разработаны проекты трех установок второй очереди Нейтронного комплекса
ИЯИ РАН, которые существенно расширят его возможности в области ФКС и
материаловедения. Проекты являются эскизными, основные конструктивные
схемы и элементы выбраны и обоснованы, сделаны оценки важных
параметров установок – разрешения (энергетического и по импульсу)
-
Выбраны направления нейтронных исследований, в которых ЛНИ ИЯИ будет
конкурентоспособна в РФ и в мире
-
В ЛНИ ИЯИ ведутся работы в области нейтронного рассеяния на собственных
установках и установках прочих нейтронных центров (зарубежные и РФ),
что позволяет поддерживать достаточный уровень культуры нейтронного
эксперимента
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
Заключениe и планы на 2011 г.
-
Необходимо завершить Монте-Карло моделирование новых установок
(программа MсCStas, в сотрудничестве с ПИЯФ НИЦ КИ), выбрать
оптимальные геометрические параметры
- Необходимо провести эксперименты с прототипами элементов новых
установок: детекторов эпитепловых нейтронов, фокусирующих нейтронных
концентраторов, экспериментально установить оптимальную толщину Be
фильтра, размеры и геометрию его ячеек
-
Необходимо исследовать преимущества временной фокусировки на
спектрометре “Гибрид”
-
Нужно накапливать и тестировать пластины монохроматора, исследовать их
мозаичность
-
Нужны счетчики 3He с высоким давлением газа
_________________________________________________________________________________________________
Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
_________________________________________________________________________________________________
ИЯИ РАН, 25 февраля 2011