Нейтронный поляризационный рефлектометр



Нейтронный поляризационный рефлектометр
Нейтронный поляризационный рефлектометр
Нейтронный поляризационный рефлектометр
Нейтронный поляризационный рефлектометр
Нейтронный поляризационный рефлектометр

 


Владельцы патента RU 2590922:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова" (ФГБУ "ПИЯФ") (RU)

Изобретение относится к средствам нейтронной рефлектометрии. Устройство содержит: монохроматор, фильтр, выделяющий определенную длину волны, формирователь монохроматического пучка, состоящий из зеркального поляризатора, зеркального дефлектора, коллимационную систему, спин-флиппер. При этом формирователь пучка выполнен в виде как минимум одного единого блока, в котором размещены как минимум четыре зеркальных канала. Каждый зеркальный канал состоит из двух жестко связанных зеркал, развернутых относительно друг друга под углом 2θb, причем отражающее покрытие двух каналов формирователя представляет собой структуру чередующихся нанослоев: магнитного и немагнитного. Для одного канала структура покрытия периодическая, для другого - апериодическая. Отражающее покрытие зеркал остальных двух каналов формирователя представляет собой структуру чередующихся нанослоев двух разных немагнитных материалов, причем для одного из этой пары зеркал структура покрытия - периодическая, а для другого из этой пары зеркал структура покрытия - апериодическая. Также в этот единый блок введен канал для юстировки указанных зеркальных каналов. Техническим результатом является повышение поляризации пучка, повышение точности измерения, возможность создания более компактного устройства. 10 ил.

 

Изобретение относится к области нейтронной физики, в частности к нейтронной рефлектометрии.

Нейтронная рефлектометрия применяется для исследования слоистых структур и латеральных поверхностных структур. Сравнительная простота анализа данных по зеркальному отражению нейтронов способствует его широкому использованию для восстановления структурных глубинных профилей и послойной векторной магнитометрии.

Поляризационные нейтронные рефлектометры (ПНР) можно разделить на работающие:

1) по времяпролетной методике с «белым» пучком, т.е. имеющие широкое, как правило, максвелловское распределение по длинам волн;

2) с фиксированной длиной волны;

3) используя оба эти метода или комбинированные.

Рефлектометры второго типа используют фиксированную длину волны λ = const для падающего пучка нейтронов. Необходимый диапазон по Q (переданный импульс) в этом методе для получения кривой R(Q) получается путем сканирования по большому интервалу углов скольжения θ в геометрии θ-2θ с одиночным детектором или с ПЧД (Позиционно-Чувствительный Детектор).

Основные требования к сформированному пучку в рефлектометрии, воздействующему на образец: высокополяризованный пучок, качественная фильтрация пучка, отраженного от монохроматора (подавление вклада нейтронов высоких брэгговских порядков), высокое отношение сигнал/фон на детекторе, необходимая угловая расходимость пучка, падающего на образец в соответствии с решаемой задачей.

Известен нейтронный поляризационный рефлектометр NeRo, расположенный в исследовательском центре GKSS (Геестахт, Германия), опубликовано в работе:. М. Stamm, S. Huetenbach, G. Reiter. TOREMA II - a neutron reflectometer at Juelich. - Physica B, v. 173(1991), pp. 11-16 [1].

Основные узлы: кристалл-монохроматор, формирователь монохроматического пучка, состоящий из дефлектора и поляризатора на пропускание, коллимационная система, спин-флиппер.

«Белый» нейтронный пучок, т.е. пучок, имеющий широкое спектральное распределение, падает на кристаллический или многослойный монохроматор. Отражаются от него нейтроны с постоянной длиной волны λ и с разбросом по длинам волн Δλ в результате брэгговской дифракции. Затем этот пучок подается на формирователь пучка, а именно на суперзеркало-дефлектор. При отражении под малым углом скольжения от дефлектора происходит подавление вклада нейтронов высоких брэгговских порядков с λ/n (где n=2, 3 …), отраженных от монохроматора, т.к. они не отражаются от суперзеркала. Далее пучок нейтронов под малым углом скольжения падает на суперзеркальный поляризатор, при этом происходит разделение нейтронов на две спиновые компоненты. Пучок нейтронов (-) спиновой компоненты, прошедшей через подложку, поступает в коллимационную систему, состоящую из двух диафрагм, а пучок (+) спиновой компоненты отражается от суперзеркала и в дальнейшем не используется (поглощается). Внутри коллимационной системы (или на ее выходе) находится спин-флиппер, с помощью которого осуществляется переворот спина нейтронов. Далее сформированный пучок поступает на исследуемый образец, который может быть как магнитным, так и немагнитным.

К недостаткам устройства можно отнести следующие.

Устройство обеспечивает поляризацию пучка на уровне не более 0,97 (Th. Krist, С. Pappas, Th. Keller, F. Mezei. The polarizing beam splitter guide at BENSC. - Physica В 213&214 (1995) pp. 939-941) [2]. В современных технологиях для исследования и создания материалов образцов - магнитных наноструктур, необходим более высокополяризованный пучок с параметром выше чем 0,97.

Коллимационная система рефлектометра располагается перед образцом, чтобы сформировать требуемую расходимость пучка. Это увеличивает фон, обусловленный поглощением нейтронов в коллимационной системе, т.е. уменьшает параметр сигнал/фон, который влияет на точность, увеличивает минимальный коэффициент отражения.

Кроме того, при необходимости исследования образцов с использованием других длин волн нейтронов требуется сложная перенастройка всего прибора, состоящего из раздельно расположенных протяженных узлов. Это усложняет эксплуатацию прибора.

Известен нейтронный поляризационный рефлектометр PBR (Polarized Beam Reflectometer), расположенный в Национальном институте стандартов и технологии NIST (Гайдерсбург, США), опубл. http://www.ncnr.nist.gov/instruments/ng1refl/ [3]. Поляризатор этого формирователя пучка работает также на пропускание. В качестве узла, подавляющего нейтроны высоких брэгговских порядков, использован бериллиевый фильтр. Нейтронный пучок, проходя через бериллиевый (Be) фильтр, рассеивает все нейтроны с длинами волн, меньшими чем λ=0.395 нм. Таким путем происходит подавление вклада нейтронов высоких брэгговских порядков с λ/n (где n=2, 3 …), отраженных от монохроматора

Это устройство имеет те же недостатки, что и первый аналог. Следует отметить, что с использованием охлаждаемого бериллиевого фильтра, рассеивающего нейтронный пучок, фон на установке нейтронного рефлектометра выше, чем в 1-м аналоге, что снижает точность измерений.

В качестве прототипа рассмотрен нейтронный поляризационный рефлектометр PRISM, установленный в Лаборатории Леона Бриллюэна Международного нейтронного исследовательского центра Сакле (Сакле, Франция) (С. Fermon, F. Ott, G. Legoff, H. Glattli, V. Wintenberger. Polarized reflectometer for the investigation of surface magnetism, the new polarized neutron reflectometer with polarization analysis at the Laboratoire Leon Brillouin. - Review of Scientific Instruments v. 71 N10 (2000), pp. 3797-3800) [4].

Устройство содержит следующие элементы по ходу пучка нейтронов: многослойный монохроматор (длина 3 м, материалы слоев Ni и Ti) для выделения из широкого спектра узкой полосы шириной , формирователь монохроматического пучка, состоящий из зеркального дефлектора в виде апериодической многослойной структуры Ni/Ti (длина около 1.8 м), зеркального поляризатора на пропускание в виде многослойной апериодической структуры, содержащей магнитные слои, фокусирующего нейтроновода (длина около 8 м), коллимационную систему, состоящую из двух диафрагм, а также спин - флиппер для переворота спина нейтрона. Монохроматор расположен внутри нейтроноводного канала.

Недостатки

Поляризатор работает на пропускание, следовательно, нельзя получить высокополяризованный пучок с поляризацией выше чем 0.97. Это ограничивает круг исследуемых магнитных наноструктур, например, используемых в спинтронике.

Сложная юстировка всего прибора, состоящего из раздельно расположенных протяженных узлов. Устройство-прототип протяженное - его длина порядка 10 метров.

Коллимационная система рефлектометра располагается перед образцом, чтобы сформировать требуемую расходимость пучка. Это увеличивает фон, обусловленный поглощением нейтронов в коллимационной системе, т.е. уменьшает параметр сигнал/фон, который влияет на точность, увеличивает минимальный коэффициент отражения.

Кроме того, при необходимости исследования образцов с использованием других длин волн нейтронов требуется сложная перенастройка всего прибора, состоящего из раздельно расположенных протяженных узлов. Это усложняет эксплуатацию прибора.

Задачей заявляемого устройства является расширение класса исследуемых образцов магнитных наноструктур, например, используемых в спинтронике, повышение точности измерения рассеянного на образце нейтронного пучка, упрощение эксплуатации устройства.

Технический эффект заключается в повышении поляризации пучка за счет двукратного отражения пучка от отражающего покрытия зеркал (2θb), повышении точности измерения рассеянного на образце пучка за счет уменьшения фона и уменьшения угловой расходимости пучка после монохроматора, создании более компактного устройства.

Технический эффект достигается за счет того, что в известном нейтронном поляризационном рефлектометре, содержащем монохроматор, выделяющий определенную длину волны, фильтр, устраняющий вклады нейтронов высших брэгговский порядков от монохроматора, формирователь монохроматического пучка, состоящий из зеркального поляризатора, зеркального дефлектора, коллимационную систему, спин-флиппер, новым является то, что формирователь пучка выполнен в виде как минимум одного единого блока, в котором размещены как минимум четыре зеркальных канала, причем каждый зеркальный канал состоит из двух жестко связанных зеркал, развернутых относительно друг друга под углом 2θb, причем отражающее покрытие двух каналов формирователя представляет собой структуру чередующихся нанослоев: магнитного и немагнитного, причем для одного канала структура покрытия - периодическая, и этот канал является монохроматором, фильтром, поляризатором, дефлектором, коллиматором, для другого - апериодическая, и этот канал является фильтром, поляризатором, дефлектором, а отражающее покрытие зеркал следующих двух каналов формирователя представляет собой структуру чередующихся нанослоев двух разных немагнитных материалов, причем для одного из этой пары зеркал структура покрытия - периодическая, и этот канал является монохроматором, фильтром, дефлектором, коллиматором, а для другого из этой пары зеркал структура покрытия - апериодическая, и этот канал является фильтром, дефлектором, а также в единый блок введен канал для юстировки указанных зеркальных каналов, причем блок с каналами закреплен на платформе, которая имеет возможность вращения и перемещения в горизонтальной или в вертикальной плоскости, а зеркальные каналы и канал для юстировки расположены друг за другом в едином блоке таким образом, что при перемещении платформы перпендикулярно оси падающего пучка от монохроматора обеспечивается совмещение входа соответствующего канала с осью пучка от монохроматора, причем торцевые части и наружная сторона зеркал, внутренняя и торцевая поверхности блока покрыты нейтронно-поглощающим материалом.

Из источников патентной и другой научно-технической информации подобное устройство не известно, что, по мнению заявителя, отвечает критерию «новизна».

Идея сформировать все узлы формирователя в едином блоке, выполняющем функции поляризатора, монохроматора, фильтра, устраняющего вклады нейтронов высших брэгговских порядков от монохроматора, предварительного коллиматора, уменьшающего расходимость пучка после монохроматора, дефлектора, отклоняющего сформированный пучок от оси прямого пучка, сформировалась на основе экспериментальных исследований образцов и расчетов, проведенных автором.

Перечисленные факторы в совокупности обеспечивают сформулированный технический эффект, а именно это позволит перейти к исследованию магнитных наноструктур нового поколения, для исследования более тонких эффектов взаимодействия поляризованных нейтронов с этими структурами, позволит использовать один и тот же рефлектометр для разных длин волн без сложной его перенастройки для исследования различных образцов с целью решения соответствующих исследовательских задач.

На Фиг. 1 изображен единый блок формирователя заявляемого рефлектометра, где: 1, 2, 3, 4 - зеркальные каналы; 5 - котировочный канал; 6 - зеркала 1-го канала, представляющие собой периодическую структуру чередующихся нанослоев двух видов материалов: магнитного и немагнитного; 7 - зеркала 2-го канала, представляющие собой апериодическую структуру чередующихся нанослоев двух видов материалов: магнитного и немагнитного; 8 - зеркала 3-го канала, представляющие собой апериодическую структуру чередующихся нанослоев двух видов немагнитных материалов; 9 - зеркала 4-го канала, отражающее покрытие, представляющие собой периодическую структуру чередующихся нанослоев двух видов немагнитных материалов.

Конструкция зеркал каждого канала - это два зеркала, жестко связанных между собой и развернутые друг относительно друга под углом 2θb. Зеркало каждого канала представляет собой стеклянную подложку, снаружи покрытую поглотителем нейтронов, например, на основе гадолиния, а внутри нанесено отражающее покрытие.

Входные и выходные торцы всех каналов и наружные поверхности зеркал, образующих каналы, покрыты поглощающим нейтроны материалом, например, на основе гадолиния.

Причем платформа, на которой размещен блок имеет возможность вращения и перемещения перпендикулярно оси входящего пучка либо в горизонтальной, либо в вертикальной плоскостях для совмещения оси отраженного от монохроматора пучка с осью соответствующего канала формирователя.

На Фиг. 2 представлена схема нейтронного поляризационного рефлектометра, где 10 - формирователь пучка, 11 - спин-флиппер, 12 - образец, 13 - детектор.

На Фиг. 3 представлены экспериментальные коэффициенты отражения нейтронов со спином по полю R+ и на Фиг. 4 против поля R- в зависимости от перпендикулярной длины волны для поляризующего суперзеркала CoFe/TiZr с параметром m=2.5 в однородном поле около 50 мТл.

На Фиг. 5 и 6 представлены, рассчитанные по данным Фиг. 3, 4 (R+ и R-) коэффициенты пропускания для нейтронов (+) и (-) спиновых компонент пучка - (Фиг. 5) и соответствующая поляризация - (Фиг. 6) в зависимости от входного угла θ1 (Фиг. 1).

На Фиг. 7 представлены экспериментальные коэффициенты отражения R+ и R- для нейтронов с противоположными спинами в зависимости от перпендикулярной длины волны вблизи брэгговского пика 1-го порядка для периодической поляризующей структуры 60×[CoFe(89Е)/TiZr(89Е)] в однородном поле около 50 мТл.

На Фиг. 8 показаны рассчитанные по данным R+ и R-, представленным на Фиг. 7, коэффициент пропускания для нейтронов (+) спиновой компоненты пучка и соответствующая поляризация прошедшего через канал пучка в зависимости от входного угла θ1.

На Фиг. 9 представлен экспериментальный коэффициент отражения нейтронов R в зависимости от перпендикулярной длины волны для (апериодической отражающей структуры суперзеркала) NiMo/Ti с параметром m=2.5.

На Фиг. 10 представлен экспериментальный коэффициент отражения R в зависимости от перпендикулярной длины волны вблизи брэгговского пика 1-го порядка для периодической отражающей структуры 60×[NiMo(85Е)/Ti(85Е)].

Устройство работает следующим образом.

Пучок, имеющий широкое спектральное распределение, падает на кристаллический монохроматор (Фиг. 2), выполненный из пиролитического графита. В результате брэгговской дифракции от него отражаются нейтроны с длиной волны λ и с разбросом по длинам волн Δλ, а также нейтроны высоких брэгговских порядков с длинами волн λ/n (где n=2, 3 …). Вклад нейтронов с длинами волн λ/n является паразитным, его необходимо устранить.

Отраженный от монохроматора пучок поступает на единый блок формирователя пучка (10), который состоит из 4-х зеркальных каналов (Фиг. 1). Выбор канала зависит от решаемой на рефлектометре физической задачи.

Выбранный канал совмещается с пучком нейтронов за счет того, что единый блок установлен на подвижной платформе.

Работу каналов рассмотрим по Фиг. 1. 1-й канал (1) образован зеркалами (6). Отражающее покрытие этого канала формирователя представляет собой периодическую структуру чередующихся нанослоев: магнитного и немагнитного. Предварительно делается юстировка единого блока путем совмещения оси падающего нейтронного пучка с осью юстировочного канала 5. После этого поворачивают блок на угол θb, который определен из соотношения:

, где λ - длина волны нейтронного пучка; d=dl+d2 - период отражающей структуры канала 1; d1 и d2 - толщина магнитного и немагнитного нанослоя соответственно.

Нейтрон падает под малым углом скольжения θ1 на 1-ю часть зеркала 6, отражаясь от него, падает на 2-ю часть зеркала 6 под углом θ2 и, отражаясь, выходит из канала. Из геометрии следует, что θ12=2θb. Такая геометрия канала (зеркал) позволяет получить двойное отражение (чего нет в аналогах и прототипе). За счет двойного отражения и за счет отражающей поляризационной периодической структуры получаем очень высокую поляризацию и высокую степень коллимированности (это предварительная коллимация пучка) сформированного пучка. Кроме функции поляризатора и коллиматора этот канал работает как фильтр, т.е. пропускает нейтроны с длиной волны λ и выводит из пучка нейтроны с длинами волн λ/n (где n=2, 3 …). Кроме того, этот канал осуществляет функцию дефлектора (отклонителя), т.е. ось прошедшего через канал пучка отклоняется от оси падающего пучка. Из геометрии следует, что угол отклонения равен 4θb.

Вышедший из канала пучок поступает на вход коллимационной системы, состоящей из двух диафрагм Д1 и Д2, проходит также через спин-флиппер (поз. 11, Фиг. 2), предназначенный для переворота спина нейтронов и расположенный внутри коллимационной системы. Данная коллимационная система в сочетании с коллимационными свойствами 1-го канала формирует в окончательном виде угловую расходимость падающего на образец пучка. В отличие от прототипа фон от поглощенных в коллимационной системе нейтронов будет меньше, т.к. угловая расходимость после 1-го канала значительно уменьшена.

Пройдя через коллимационную систему, пучок падает под малым углом скольжения θ1 на образец (поз. 12, Фиг. 2), помещенный в зазор магнита узла образца. Отраженные под углом скольжения θ2 (в случае зеркального отражения θ12) нейтроны регистрируются в одиночном детекторе или в соответствующем канале Позиционно-Чувствительного Детектора (ПЧД) (поз. 13, Фиг. 2).

1-й канал целесообразно использовать, когда необходимо проводить измерения с высоким разрешением по переданному импульсу.

Рассмотрим прохождение пучка нейтронов через 2-й канал (2), образованный зеркалами (7). Отражающее покрытие этого канала формирователя представляет собой апериодическую структуру чередующихся нанослоев: магнитного и немагнитного. Здесь также справедливо соотношение θ12=2θb. Вся геометрия канала сохраняется. Использование в этом канале апериодической отражающей структуры позволит по сравнению с 1-м каналом значительно увеличить расходимость падающего на образец пучка при том же уровне достигнутой поляризации, что и в 1-м канале, но при этом пиковая интенсивность 1-го канала выше, чем средний уровень интенсивности пучка 2-го канала.

2-й канал целесообразно использовать, когда необходимо проводить измерения с пониженным разрешением по переданному импульсу, но с высокой интенсивностью, полученной за счет высокой расходимости поляризованного пучка. Поэтому в этом случае нет необходимости в функции коллиматора, как у канала 1. Пучок, сформированный в этом канале, следует применить, например, в случае аттестации неизвестного магнитного образца, когда требуется высокая светосила. В соответствии с вышесказанным этот канал выполняет функцию поляризатора, дефлектора и фильтра, устраняющего вклады нейтронов высших брэгговских порядков от монохроматора.

Рассмотрим прохождение пучка нейтронов через 3-й канал (3), образованный зеркалами (8).

Отражающее покрытие зеркал 3-го канала представляет собой апериодическую структуру двух чередующихся нанослоев разных немагнитных материалов. Геометрия канала та же. Условия отражения те же, но прошедший пучок не поляризован из-за того, что отражающая структура состоит из немагнитных материалов. В соответствии с вышесказанным этот канал выполняет функции фильтра и дефлектора. Его работа полностью аналогична работе 2-го канала только с немагнитными образцами.

3-й канал целесообразно использовать, когда необходимо проводить измерения с высокой интенсивностью (достигнутой за счет высокой расходимости неполяризованного пучка), но с пониженным разрешением по переданному импульсу. Это следует применить, например, в случае аттестации неизвестного немагнитного образца, когда требуется высокая светосила.

Рассмотрим прохождение пучка нейтронов через 4-й канал (4), образованный зеркалами (9).

Отражающее покрытие зеркал 9 4-го канала представляет собой периодическую структуру двух чередующихся нанослоев разных немагнитных материалов. Геометрия канала та же. Условия отражения те же, но прошедший пучок не поляризован из-за того, что отражающая структура состоит из немагнитных материалов. Поэтому этот канал выполняет функции дефлектора, коллиматора и фильтра.

4-й канал целесообразно использовать, когда необходимо проводить измерения с высоким разрешением по переданному импульсу на немагнитных образцах. Его работа полностью аналогична работе 1-го канала только с немагнитными образцами.

Торцевые и внешние поверхности всех зеркал, а также внутренние и торцевые части блока должны быть покрыты нейтронно-поглощающим материалом, для того чтобы поглотить рассеянные нейтроны.

Формирователь рефлектометра может быть снабжен несколькими такими едиными блоками, для того чтобы исследовать образцы на разных длинах волн нейтронного пучка. Для этого необходимо использовать отражающие и поляризующие периодические структуры нанослоев зеркал с разными периодами d. 1-й и 4-й каналы данного формирователя могут помимо своих вышеперечисленных функций выполнять также функцию монохроматора пучка, т.е. выделять из широкого спектра узкую линию. При наличии нескольких единых блоков, можно выделять несколько длин волн нейтронов.

Таким образом, расширяется область применения заявляемого устройства.

Приведенные расчетные данные и фигуры обосновывают эти выводы.

На нейтронном рефлектометре экспериментально были исследованы образцы зеркал поляризующих и неполяризующих наноструктур, которые предложено использовать в качестве отражающих покрытий зеркал каналов предлагаемого формирователя.

На Фиг. 3 представлены экспериментальные коэффициенты отражения нейтронов со спином по полю R+ и на Фиг. 4 против поля R- в зависимости от перпендикулярной длины волны, равной λ/θ (λ - длина волны нейтрона, θ - угол скольжения) для поляризующего суперзеркала CoFe/TiZr с m=2.5 в однородном поле около 50 мТл.

На Фиг. 5 и 6 представлены рассчитанные по экспериментальным зависимостям R+ и R-, данным на Фиг. 3 и 4, коэффициенты пропускания для нейтронов (+) и (-) спиновых компонент (Фиг. 5) и соответствующая поляризация (Фиг. 6) в зависимости от входного угла скольжения θ1 (Фиг. 1). Результаты, представленные на Фиг. 5 и 6, были получены при следующих заданных условиях: длина волны падающего на формирователь монохроматического пучка λ=4.4 А, длина каждого зеркала в канале 200 мм, т.е. длина каждого канала равна 400 мм, ширина каждого канала 2.8 мм, угол разворота зеркал друг относительно друга в каждом канале равен 2θb=26.8 мрад.

Рассмотрим, как были произведены эти расчеты.

1. Кривые коэффициентов отражения R+ и R- для суперзеркала в зависимости от перпендикулярной длины волны λ/θ пересчитывались в зависимости коэффициентов отражения от угла скольжения θ для λ=4.4 А.

2. Сначала расчет проводился для (+) спиновой компоненты пучка. Определялись величины для набора углов скольжения θ1 в диапазоне от 3 до 23.5 мрад по полученной кривой R+(θ) для отражения нейтронов от первого суперзеркала в канале.

3. Вычислялись углы θ2=2θb1, под которыми будут отражаться нейтроны от второго суперзеркала канала после отражения под углом θ1 от первого суперзеркала канала, помня, что 2·θb=26.8 мрад. По той же кривой R+(θ) для каждого полученного угла θ2=2θb1 находился соответствующий коэффициент отражения от второго суперзеркала.

4. Для каждого угла θ1 вычислялся коэффициент пропускания спиновой компоненты пучка через канал формирователя.

5. Затем таким же способом, по полученной кривой R-(θ), пересчитанной из кривой R- от λ/θ, находился - коэффициент пропускания пучка (-) спиновой компоненты через канал формирователя после двух отражений.

6. В итоге получаем зависимости Т+1) и Т-1), а также выражение для поляризующей эффективности суперзеркального поляризационного канала формирователя, определенного как Р=(T+1)-Т-1))/(Т+1)+Т-1)).

Как можно видеть из Фиг. 6, поляризующая эффективность Р, рассчитанная таким образом для реального поляризационного суперзеркала, дает очень высокий уровень Р, равный 0.9997 в диапазоне углов θ1, равном 10 мрад (от 8 до 18 мрад), где средний уровень коэффициента пропускания пучка через канал Т+1) около (порядка) 0.45. Для кристаллического нейтронного монохроматора, для которого , угловая расходимость отраженного пучка равна 10 мрад при брэгговском угле, равном 45 градусов. Таким образом, пучок, отраженный от рассмотренного кристаллического монохроматора, при прохождении через этот канал не будет иметь ограничений в его угловой расходимости.

Рассмотрим прохождение через этот канал нейтронов с длиной волны λ=2.2 А, которая соответствует 2-му порядку брэгговского отражения от кристаллического монохроматора. Критический угол для данной длины волны для рассматриваемого суперзеркала, как следует из Фиг. 3, равен 9.35 мрад. Это означает, что нейтроны с длиной волны λ=2.2 Е смогут отразиться от первого зеркала с коэффициентом отражения, большим чем 0.6, только в узком угловом диапазоне от 0 до 9.35 мрад. Следовательно, диапазон углов θ2, который находится из соотношения θ2=2θb1, будет от 17.45 до 26.8 мрад. Для таких углов коэффициент отражения очень низок. Так, для минимального угла из этого диапазона 17.45 мрад он не превышает 0.002. Следовательно, нейтроны с такой длиной волны не выйдут из этого канала. А для нейтронов более высоких порядков брэгговского отражения коэффициент пропускания будет еще меньше. Следовательно, такой канал работает как фильтр для коротковолновых нейтронов, т.к. он их практически не пропускает.

Таким образом, эту структуру можно использовать в качестве отражающего покрытия для зеркал 7, образующих 2-й канал формирователя, т.к. она выполняет функции поляризатора, фильтра и дефлектора с коэффициентом пропускания нейтронов (+) спиновой компоненты пучка порядка 0.45 при отклонении оси прошедшего пучка от оси падающего на угол 4θb=53.6 мрад. При этом угловая расходимость пучка на выходе из этого канала составляет величину порядка 10 мрад.

На Фиг. 7 представлены экспериментальные коэффициенты отражения R+ и R- для нейтронов с противоположными спинами в зависимости от перпендикулярной длины волны вблизи брэгговского пика 1-го порядка для периодической поляризующей структуры 60×[CoFe(89Е)/TiZr(89Е)] в однородном поле около 50 мТл.

На Фиг. 8 показаны рассчитанные по данным R+ и R-, представленным на Фиг. 7, коэффициент пропускания Т+ для нейтронов (+) спиновой компоненты пучка и поляризация Р прошедшего через канал пучка в зависимости от входного угла θ1. При расчетах были использованы те же параметры канала, что и для суперзеркального поляризационного канала, рассмотренного выше.

Аналогичным образом, как и для поляризующего суперзеркала, рассмотренного выше, рассчитывались , и Р в зависимости от входного угла скольжения θ1 для периодической структуры, результаты исследования которой представлены на Фиг. 7. Как следует из Фиг. 8, прошедший через канал пучок будет иметь в пике очень высокую поляризацию (0.9999!) и высокий коэффициент пропускания для (+) спиновой компоненты порядка 0.83, а также малую угловую расходимость прошедшего пучка около 1 мрад при расходимости падающего пучка 10 мрад.

Рассмотрение прохождения нейтронов с длиной волны λ=2.2 Е аналогично проведенному выше для суперзеркального канала. Здесь также коэффициент отражения таких нейтронов от 2-го зеркала будет очень низок. Т.е. этот канал также будет работать как фильтр.

Если на вход этого канала будет падать пучок с широким спектральным распределением, то, как следует из Фиг. 7, от данной структуры отразится пучок, который будет иметь узкое спектральное распределение, т.е. данный канал будет выполнять функцию монохроматора, как отмечалось выше.

Эту структуру можно использовать в качестве отражающего покрытия для зеркал 6, образующих 1-й канал формирователя, т.к. она выполняет функции поляризатора, монохроматора, коллиматора, фильтра и дефлектора.

На Фиг. 9 представлен экспериментальный коэффициент отражения нейтронов R в зависимости от перпендикулярной длины волны для отражающего суперзеркала NiMo/Ti с m=2.5.

Также как и для канала 2, можно аналогичным образом доказать, что канал 3, образованный из зеркал, имеющих отражающую структуру, представленную на Фиг. 9, будет выполнять функции фильтра и дефлектора.

На Фиг. 10 представлен экспериментальный коэффициент отражения R в зависимости от перпендикулярной длины волны вблизи брэгговского пика 1-го порядка для периодической отражающей структуры 60×[NiMo(85Е)/Ti(85Е)].

Также как и для канала 1, можно аналогичным образом доказать, что канал 4, образованный из зеркал, имеющих отражающую структуру, представленную на Фиг. 10, будет выполнять функции монохроматора, фильтра, коллиматора и дефлектора.

Таким образом, можно сделать вывод, что совокупность конструктивных признаков заявляемого устройства обеспечивает более высокий уровень поляризации, дает возможность монохроматизировать пучок и менять длину волны пучка, падающего на образец, уменьшает угловую расходимость после монохроматора, отклоняет ось прошедшего пучка относительно оси падающего, что увеличивает отношение сигнал-фон и повышает точность измерений. При этом устройство более компактно, что подтверждено расчетами. Так, длина каждого канала рассмотренного формирователя равна всего 400 мм, что существенно меньше, чем у аналогов и прототипа.

Список литературы

1. М. Stamm, S. Huetenbach, G. Reiter. TOREMA II - a neutron reflectometer at Juelich. - Physica B, v. 173 (1991), pp. 11-16.

2. Th. Krist, C. Pappas, Th. Keller, F. Mezei. The polarizing beam splitter guide at BENSC. - Physica В 213&214 (1995) pp. 939-941).

3. http://www.ncnr.nist.gov/instruments/ng1refl/

4. C. Fermon, F. Ott, G. Legoff, H. Glattli, V. Wintenberger. Polarized reflectometer for the investigation of surface magnetism, the new polarized neutron reflectometer with polarization analysis at the Laboratoire Leon Brillouin. - Review of Scientific Instruments v. 71 N10 (2000), pp. 3797-3800). Прототип.

Нейтронный поляризационный рефлектометр, содержащий монохроматор, выделяющий определенную длину волны, фильтр, устраняющий вклады нейтронов высших брэгговских порядков от монохроматора, формирователь монохроматического пучка, состоящий из зеркального поляризатора, зеркального дефлектора, коллимационную систему, спин-флиппер, отличающийся тем, что формирователь пучка выполнен в виде как минимум одного единого блока, в котором размещены как минимум четыре зеркальных канала, причем каждый зеркальный канал состоит из двух жестко связанных зеркал, развернутых относительно друг друга под углом 2θb, причем отражающее покрытие двух каналов формирователя представляет собой структуру чередующихся нанослоев: магнитного и немагнитного, причем для одного канала структура покрытия - периодическая, и этот канал является монохроматором, фильтром, поляризатором, дефлектором, коллиматором, для другого - апериодическая, и этот канал является фильтром, поляризатором, дефлектором, а отражающее покрытие зеркал других двух каналов формирователя представляет собой структуру чередующихся нанослоев двух разных немагнитных материалов, причем для одного из этой пары зеркал структура покрытия - периодическая, и этот канал является монохроматором, фильтром, дефлектором, коллиматором, а для другого из этой пары зеркал структура покрытия - апериодическая, и этот канал является фильтром, а также в единый блок введен канал для юстировки указанных зеркальных каналов, причем блок с каналами закреплен на платформе, которая имеет возможность вращения и перемещения в горизонтальной или в вертикальной плоскости, а зеркальные каналы и канал для юстировки расположены друг за другом в едином блоке таким образом, что при перемещении платформы перпендикулярно оси падающего пучка от монохроматора обеспечивается совмещение входа соответствующего канала с осью пучка от монохроматора, причем торцевые части и наружная сторона зеркал, внутренняя и торцевая поверхности блока покрыты нейтронно-поглощающим материалом.



 

Похожие патенты:

Заявленное изобретение относится к генераторам быстрых моноэнергетических нейтронов. В заявленном устройстве предусмотрено использование алмазной кристаллической структуры, поверхность которой облучается ускоренным до нескольких десятков кэВ пучком ионов дейтерия, в качестве мишеней-конвертеров.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения пучков ионов в диапазоне энергий, где используются известные ускоряющие структуры с трубками дрейфа на виде колебаний π.

Изобретение относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначено для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета).

Изобретение относится к области ускорительной техники. Способ отклонения пучков заряженных частиц плоской кремниевой пластиной основан на использовании явления объемного отражения.

Изобретения относятся к средствам передачи энергии в форме пучка ускоренных электронов. В заявленном изобретении транспортирование пучка электронов осуществляют по имеющему изгибы вакуумированному каналу (1) с продольной осью (8) в виде гладкой линии и стенкой (4), изготовленной из материала, способного к электризации.

Заявленное изобретение относится к способу осуществления ядерных реакций. Заявленный способ характеризуется тем, что каналируемые ядерные частицы, ионы или излучения при каналировании фокусируются в определенном месте канала в кристаллической решетке фазы внедрения, нанотрубках или за их пределами.

Изобретение относится к системам получения заряженных частиц больших энергий и предназначено для применения в области ядерной физики и ядерных технологий. Ускоритель заряженных частиц содержит вакуумную камеру в форме участка кольцевой трубы, на торцах которого внутри находятся источник заряженных частиц и мишень.

Изобретение относится к ядерным технологиям, в частности к получению моноэнергетических нейтронов с низкой энергией. Заявленный способ включает облучение пучком протонов с энергией, превышающей 1,920 МэВ, нейтроногенерирующей мишени, при этом пучок моноэнергетических нейтронов формируют из нейтронов, распространяющихся в направлении, обратном направлению распространения пучка протонов.

Изобретение относится к средствам дозирования сыпучего материала в виде твердых шариков, в частности шариков из замороженных ароматических углеводородов, и предназначено для подачи рабочего вещества (шариков) в пневматический тракт с холодным газом гелия для последующей доставки их в камеру холодного замедлителя быстрых нейтронов интенсивного источника (ядерного реактора или нейтронопроизводящей мишени ускорителя).

Изобретение относится к средствам обеспечения нужного спектра нейтронов в пучках исследовательских реакторов или нейтронно-производящих мишеней ускорителей. .
Наверх