RU2593431C1 - Method of measuring spectrum of transmitted neutron pulse - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: invention relates to analysis of condensed media with neutrons, particularly methods for diagnosis of non-uniform state or low-frequency dynamics of a medium. Method of measuring spectrum of a transmitted neutron pulse includes precession of magnetic moment of neutrons in two regions of magnetic field to analysed sample and after with antiparallel mutual direction of magnetic fields in them and measurement of phase difference of precession, formed in said regions, wherein neutrons are reflected from boundaries of regions of magnetic field, precession phase is generated perpendicular to boundaries of magnetic regions of component neutron pulse, wherein boundaries of regions are created by magnetic mirrors with magnetisation vectors in them parallel to each other and directed in relation to direction of vector of magnetic field intensity at an angle close to or equal to 90 degrees.

EFFECT: high sensitivity to measurement of transmitted neutron pulse.

1 cl, 2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области исследований конденсированных сред нейтронами, в частности методики диагностики неоднородного состояния или низкочастотной динамики среды, что важно для установления соответствия физических свойств среды ее микроструктурным и динамическим характеристикам.The present invention relates to the field of studies of condensed matter by neutrons, in particular, methods for diagnosing an inhomogeneous state or low-frequency dynamics of a medium, which is important for establishing the correspondence of the physical properties of a medium to its microstructural and dynamic characteristics.

Известен способ измерения спектра колебаний конденсированной среды с помощью спектрометров неупругого рассеяния нейтронов в прямой и обратной геометриях [1]. Сущность способа измерений заключается в измерении энергии и импульса нейтрона до его рассеяния на исследуемом объекте и после рассеяния. При этом нижняя граница измеряемого частотного спектра колебаний вещества составляет 100 ГГц.A known method of measuring the spectrum of oscillations of a condensed medium using inelastic neutron scattering spectrometers in direct and inverse geometries [1]. The essence of the measurement method is to measure the energy and momentum of a neutron before it is scattered at the object under study and after scattering. In this case, the lower boundary of the measured frequency spectrum of the substance’s vibrations is 100 GHz.

Известен способ нейтронной спин-эхо спектрометрии измерения спектра колебаний конденсированной сред или спектра корреляционной длины неоднородного состояния среды, являющийся прототипом [2]. Сущность способа измерений заключается в измерении спектра переданного нейтрону импульса, являющегося разностью импульсов нейтронов после и до их рассеяния. Для измерений спектра переданного нейтрону импульса измеряют для каждого нейтрона фазу прецессии его магнитного момента в магнитном поле до исследуемого образца и фазу прецессии нейтрона в магнитном поле после его рассеяния на исследуемом образце. В спин-эхо спектрометре, реализующем способ-прототип, границы магнитного поля ориентируют перпендикулярно направлению начального вектора импульса нейтрона. Из разности фаз прецессии нейтронов, образуемых в областях магнитного поля до и после образца, определяют спектр переданного импульса нейтрона, из которого определяют спектр колебаний среды или спектр длины корреляции неоднородного состояния. Недостатком прототипа являются низкая чувствительность измерений спектра колебаний, что не позволяет регистрировать низкочастотные килогерцовой частоты колебания в среде. В настоящее время чувствительность спектрометров такова, что измеряемый диапазон частот имеет нижнюю границу 10-100 МГц. Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность измерений спектра корреляционной длины неоднородного состояния. В настоящее время измеряемый диапазон измерения корреляционной длины имеет максимальную границу 10 мкм. Недостатком прототипа является невозможность исследований поверхностного слоя вещества.A known method of neutron spin-echo spectrometry measuring the spectrum of oscillations of a condensed medium or the spectrum of the correlation length of an inhomogeneous state of the medium, which is the prototype [2]. The essence of the measurement method is to measure the spectrum of the momentum transferred to the neutron, which is the difference of the neutron momenta after and before they are scattered. To measure the spectrum of the momentum transferred to the neutron, for each neutron the phase of the precession of its magnetic moment in the magnetic field to the sample being measured and the phase of the precession of the neutron in the magnetic field after it is scattered by the sample are measured. In a spin-echo spectrometer that implements the prototype method, the boundaries of the magnetic field are oriented perpendicular to the direction of the initial neutron momentum vector. From the phase difference of the neutron precession formed in the magnetic field before and after the sample, the spectrum of the transmitted neutron momentum is determined, from which the vibrational spectrum of the medium or the correlation length spectrum of the inhomogeneous state are determined. The disadvantage of the prototype is the low sensitivity of the measurement of the vibration spectrum, which does not allow to register low-frequency kilohertz frequency fluctuations in the environment. At present, the sensitivity of spectrometers is such that the measured frequency range has a lower limit of 10-100 MHz. The disadvantage of the prototype is the lack of sensitivity of the measurements of the spectrum of the correlation length of the inhomogeneous state. Currently, the measured range of measurement of the correlation length has a maximum boundary of 10 μm. The disadvantage of the prototype is the inability to study the surface layer of a substance.

В предлагаемом способе измерения спектра переданного импульса нейтронов, включающем прецессию магнитного момента нейтронов в двух областях магнитного поля до исследуемого образца и после с антипараллельным взаимным направлением магнитных полей в них и измерение разности фаз прецессии, образованных в этих областях, нейтроны отражают от границ областей магнитного поля, фазу прецессии создают перпендикулярной к границам магнитных областей компонентой импульса нейтрона, при этом, границы областей создают магнитными зеркалами с векторами намагниченности в них параллельными друг другу и направленными по отношению к направлению вектора напряженности магнитного поля под углом, близким или равным 90 градусам.In the proposed method for measuring the spectrum of the transmitted neutron momentum, including the precession of the magnetic moment of neutrons in two regions of the magnetic field before the test sample and after with the antiparallel mutual direction of the magnetic fields in them and measuring the difference of the precession phases formed in these regions, the neutrons reflect from the boundaries of the regions of the magnetic field , the precession phase is created by the component of the neutron momentum perpendicular to the boundaries of the magnetic regions, while the boundaries of the regions are created by magnetic mirrors from the vector magnetization in them parallel to each other and directed relative to the direction of the vector of the magnetic field at an angle close to or equal to 90 degrees.

Работа спин-эхо спектрометра нейтронов состоит в следующем. Фаза прецессии φ пропорциональна напряженности магнитного поля H, протяженности магнитного поля d и обратно пропорциональна волновому вектору (импульсу) нейтрона kThe work of the spin-echo neutron spectrometer is as follows. The precession phase φ is proportional to the magnetic field H, the magnetic field d and inversely proportional to the neutron wave vector (momentum) k

где p=(2mµ/ħ²), m и µ есть масса и магнитный момент нейтрона, соответственно, ħ - постоянная Планка.where p = (2mµ / ħ ² ), m and µ are the mass and magnetic moment of the neutron, respectively, ħ is the Planck constant.

Чувствительность спин-эхо спектрометра к изменению волнового вектора δk в результате рассеяния нейтронов на исследуемом объекте-образце определяется величиной спин-эхо длины L_эхо The sensitivity of the spin-echo spectrometer to changes in the wave vector δk resulting neutron scattering on the object the reference is determined by the spin-echo _echo length L

где δΔφ=-ρ(Hd)(δk/k²)=-Д_эхоδk.where δΔφ = -ρ (Hd) (δk / k ² ) = - Д _echo δk.

Как следует из (2), с уменьшением k квадратично увеличивается L_эхо, определяющая чувствительность. В случае, когда плоскость магнитного зеркала ориентирована под малым углом θ≈0.003 к направлению волнового вектора нейтронов для перпендикулярной компоненты, имеем k_⊥=k×sin(θ) и L_эхо=ρ(Hd)/k_⊥ ². В этом случае, из-за малого значения k_⊥≈0.003k чувствительность определения δk_⊥ возрастает по сравнению с чувствительностью в определении δk_⊥ в порядка 10⁴-10⁵ раз.As follows from (2), with a decrease in k, the _echo determining the sensitivity quadratically increases. In the case when the plane of the magnetic mirror is oriented at a small angle θ≈0.003 to the direction of the neutron wave vector for the perpendicular component, we have k _⊥ = k × sin (θ) and L _echo = ρ (Hd) / k _⊥ ² . In this case, because of the small values of k _⊥ ≈0.003k δk _⊥ sensitivity of detection increases as compared with the sensitivity in determining δk _⊥ in the order of 10 ⁴ -10 ⁵ times.

В случае, если передача δk_⊥ связана с передачей энергии E=ħω, где ω - циклическая частота колебаний, в направлении "⊥", чувствительность к измерению переданной энергии определяется спин-эхо временем t_эхо⊥=δΔφ/ω.If the transfer δk _⊥ is associated with the transfer of energy E = ħω, where ω is the cyclic oscillation frequency in the ⊥ direction, the sensitivity to measuring the transferred energy is determined by the spin echo time t echo _{временем} = δΔφ / ω.

Спин-эхо время, как следует из (3), с уменьшением k_⊥ возрастает еще в большей, а именно третьей степени k_⊥.Spin-echo time, as follows from (3), with a decrease in k _⊥ increases even more, namely the third degree k _⊥ .

Таким образом, использование k_⊥ вместо k позволяет увеличить чувствительность измерений импульса в направлении перпендикулярно границам магнитных областей. Нижняя граница измеряемого частотного диапазона в этом случае составляет единицы килогерц, а верхняя граница измеряемой корреляционной длины 100 мкм.Thus, the use of k _⊥ instead of k allows one to increase the sensitivity of momentum measurements in the direction perpendicular to the boundaries of the magnetic regions. The lower boundary of the measured frequency range in this case is units of kilohertz, and the upper boundary of the measured correlation length is 100 μm.

В спин-эхо спектрометре, реализующем данный способ измерений, в качестве границ магнитных областей используются магнитные зеркала. Нейтрон отражается от первого зеркала, в результате чего для плюс и минус спиновых состояний нейтрона появляются соответственно две компоненты волнового вектора k_⊥ ⁺ и k_⊥ ^-. Это приводит к прецессии магнитного момента. При отражении нейтронов от второго зеркала происходит проецирование вектора поляризации нейтронов на направление вектора индукции магнитного поля во втором зеркале, что соответствует периодической зависимости интенсивности отраженных нейтронов от волнового вектора. На Рис. 1. показаны две схемы устройств, реализующих данный способ измерений. В первой области Рис. 1 - магнитное поле H1, во второй Н2=-Н1 - намагниченность зеркал М1 и М2=-М1. Пучок нейтронов "n" с волновым вектором k направлен под углом скольжения к зеркалам θ_i, после рассеяния нейтрона на образце угол скольжения σ_f.In a spin-echo spectrometer implementing this measurement method, magnetic mirrors are used as the boundaries of the magnetic regions. The neutron is reflected from the first mirror, as a result of which two components of the wave vector k _⊥ ⁺ and k _⊥ ^- appear, respectively, for the plus and minus spin states of the neutron. This leads to a precession of the magnetic moment. When neutrons are reflected from the second mirror, the neutron polarization vector is projected onto the direction of the magnetic field induction vector in the second mirror, which corresponds to the periodic dependence of the reflected neutron intensity on the wave vector. In Fig. 1. shows two schemes of devices that implement this method of measurement. In the first area of Fig. 1 - magnetic field H1, in the second Н2 = -Н1 - magnetization of mirrors М1 and М2 = -М1. The neutron beam "n" with the wave vector k is directed at a sliding angle to the mirrors θ _i , after the neutron scatters on the sample, the sliding angle is σ _f .

Схема а) используется для измерений частотного спектра колебаний и спектра корреляционной длины в объеме исследуемого объекта. В первом случае переданный импульс направлен в направлении пучка нейтронов, во втором случае - перпендикулярно направлению пучка. Схема б) используется для исследований поверхностного слоя. В этом случае глубина исследований поверхностного слоя благодаря малому значению перпендикулярной компоненты импульса нейтронов находится в диапазоне 1-100 нм. Возможность исследований поверхности или слоистой структуры на глубину до 100 нм в устройстве по схеме Рис. 1б является третьим положительным эффектом предложенного способа.Scheme a) is used to measure the frequency spectrum of oscillations and the spectrum of the correlation length in the volume of the investigated object. In the first case, the transmitted pulse is directed in the direction of the neutron beam, in the second case - perpendicular to the beam direction. Scheme b) is used to study the surface layer. In this case, the depth of research of the surface layer due to the small value of the perpendicular component of the neutron momentum is in the range of 1-100 nm. The ability to study the surface or layered structure to a depth of 100 nm in the device according to the scheme Fig. 1b is the third positive effect of the proposed method.

На Рис. 2 показаны зависимости интенсивностей нейтронов, прошедших через систему двух зеркал нейтронов (кривая 1 - для направления "первое зеркало-второе зеркало", кривая 2 - для направления "второе зеркало-первое зеркало") при магнитном поле H=18 Э, d=0.5 мм и θ=7 мрад. Периодические зависимости демонстрируют прецессию нейтронов в области между зеркалами.In Fig. Figure 2 shows the dependences of the intensities of neutrons transmitted through a system of two neutron mirrors (curve 1 for the direction of the first mirror – second mirror, curve 2 for the direction of the second mirror – first mirror) with a magnetic field H = 18 Oe, d = 0.5 mm and θ = 7 mrad. Periodic dependences demonstrate precession of neutrons in the region between the mirrors.

Таким образом, в данном способе измерений и в спин-эхо спектрометре, реализующем данный способ, достигается увеличение чувствительности измерений переданного импульса нейтрона, что позволяет соответственно исследовать неоднородности в конденсированной среде вплоть до крупномасштабных с корреляционной длиной до 100 мкм и низкочастотные колебания конденсированной среды с нижней частотной границей 1 кГц. Для достижения таких значений параметров магнитное поле в устройстве должно быть величиной порядка 1 кЭ, а зазор между зеркалами составлять d=10 мм. В данном способе доступны исследования как объемных, так и поверхностных свойств конденсированной среды.Thus, in this measurement method and in the spin-echo spectrometer implementing this method, an increase in the sensitivity of measurements of the transmitted neutron momentum is achieved, which allows us to accordingly investigate inhomogeneities in the condensed medium up to large-scale ones with a correlation length of up to 100 μm and low-frequency oscillations of the condensed medium from the bottom frequency limit 1 kHz. To achieve such parameter values, the magnetic field in the device should be of the order of 1 kOe, and the gap between the mirrors should be d = 10 mm. In this method, studies of both bulk and surface properties of a condensed medium are available.

ЛитератураLiterature

1. Уиндзор К.// Рассеяние нейтронов от импульсных источников. М.: Энергоатомиздат, Москва, 1985, 353 с. 1. Windsor K. // Scattering of neutrons from pulsed sources. M .: Energoatomizdat, Moscow, 1985, 353 p.

2. Mezei F.// Z. Phys. 1972. V. 255. P. 146.2. Mezei F. // Z. Phys. 1972.V. 255.P. 146.

Claims (1)

Способ измерения спектра переданного импульса нейтронов, включающий прецессию магнитного момента нейтронов в двух областях магнитного поля до исследуемого образца и после с антипараллельным взаимным направлением магнитных полей в них и измерение разности фаз прецессии, образованных в этих областях, отличающийся тем, что нейтроны отражают от границ областей магнитного поля, фазу прецессии создают перпендикулярной к границам магнитных областей компонентой импульса нейтрона, при этом границы областей создают магнитными зеркалами с векторами намагниченности в них параллельными друг другу и направленными по отношению к направлению вектора напряженности магнитного поля под углом, близким или равным 90 градусам. A method of measuring the spectrum of the transmitted neutron momentum, including the precession of the magnetic moment of neutrons in two regions of the magnetic field before the sample being studied and after with the antiparallel mutual direction of the magnetic fields in them and measuring the difference of the precession phases formed in these regions, characterized in that the neutrons reflect from the boundaries of the regions of the magnetic field, the precession phase is created by the neutron momentum component perpendicular to the boundaries of the magnetic regions, while the boundaries of the regions are created by magnetic mirrors with tori magnetization therein parallel to each other and directed towards the direction of the magnetic field vector at an angle close to or equal to 90 degrees.

Images