25 февраля 2011

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________ 25 февраля 2011

проект 3.9 (2010) Программы ОФНпроект 3.9 (2010) Программы ОФН

РАН РАН ““ФЭЧФЭЧ ЯФЯФ ЯТЯТ” ”

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Проект 3.9. Разработка время-пролетныхПроект 3.9. Разработка время-пролетных

спектрометров неупругого рассеяния спектрометров неупругого рассеяния

нейтроновнейтронов

на нейтронном комплексе ИЯИ РАН 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 Экспериментальный комплекс ИЯИ РАН в г.Троицкег.Троицке

Заседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Нейтронный комплекс ИЯИ РАН для исследования Нейтронный комплекс ИЯИ РАН для исследования конденсированныхконденсированных

сред. 1-я очередь установок на импульсном источнике ИН-сред. 1-я очередь установок на импульсном источнике ИН-0606


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Эксперименты на установках 1-й очереди.Эксперименты на установках 1-й очереди. НейтроннаяНейтронная дифракциядифракция

0 200 400 600 800 1000 12000

500

1000

1500

2000

2500

3000

Inte

nsity

(co

unts

)

Channel (8 s/ch)

Carbonado in-06Nov 2010

Hercules MNS

200 400 600 800 1000 12000

100

200

300

400

500

Inte

nsity

(a.

u.)

t (mks)

carbonado-MNS-backscattering

C arb o n ad oD et-7

0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 2 .0 2 .2 2 .4d , Å

Nor

mal

ised

inte

nsity

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


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

ИН-06 (ИН-10), установки второй очереди ИН-06 (ИН-10), установки второй очереди


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Установки второй очереди на чертежах проекта Установки второй очереди на чертежах проекта ГСПИ-ИЯИГСПИ-ИЯИ


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Нейтронные спектры источника ИН-06: эксперимент и Нейтронные спектры источника ИН-06: эксперимент и расчетрасчет

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 1000000

500

1000

1500

2000

2500

3000

чи

сло о

тсч

ётов

энергия нейтронов (эВ)

Установка "Кристалл" канал VI

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

эксперимент 2010

г.

Монте-Карло моделирование

2005 г.


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Нейтронный спектр ИН-06 в терминах волновых свойств Нейтронный спектр ИН-06 в терминах волновых свойств нейтроновнейтронов

0 1 2 3 4 5 6 70

500

1000

1500

2000

2500

3000

чи

сло о

тсч

ётов

длина волны нейтронов (А0)

Спектр нейтронов на установке"Кристалл" в функции длины волны

Для физики твердого тела важно:

1) соответствие длины волны нейтрона

межплоскостным расстояниям в

кристаллах

2) соответствие передаваемого при

рассеянии

нейтронами импульса квазиимпульсам

элементарных возбуждений в твердых

телах –

фононов, магнонов, экситонов

показан спектр на канале установки

“Кристалл”

Длина волны нейтронов λ (Å)

Инт

енс

ивн

ост

ь (о

тсче

ты)


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Проверка наших возможностей по изменению нейтронных Проверка наших возможностей по изменению нейтронных спектровспектров

Энергия нейтронов E (eV)

Инт

енс

ивн

ост

ь (о

тсче

ты)

“Кристалл” – нет элементов нейтронной оптики

“Геркулес” – установлен нейтронный суперзеркальный концентратор

“Горизонт” – установлен искривленный суперзеркальный нетроновод


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Сильные и слабые стороны источника ИН-06Сильные 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


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Выбор областей научных примененийВыбор 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


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Нейтронные спектроскопия и дифракция, соотношение в Нейтронные спектроскопия и дифракция, соотношение в мире и в РФмире и в РФ

Spectroscopy Diffraction

13

17


6

7


9

12


4

9


4

5


17

3

Institute Laue Langevin

SNS, Oak Ridge (1st stage)

ISIS, RAL

FRM-II, Munich JSNS, J-PARC (1st stage) Сумма по РФ


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Нейтронное рассеяние Нейтронное рассеяние

fi kkQ

fi EE

направление

начальный импульс

конечный импульс

образецПолное сечение рассеяния

дважды дифференциальное сечение рассеяния

Законы сохранения


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Динамика против статикиДинамика против статики

)()0(' tSS jj )0()0(' tStS jj

статическая корреляционная

функция

динамическая корреляционная

функция

информация о структуре, только косвенная

информация о динамике

прямая информация о динамике, механизме явлений, прямая связь с микроскопическими

теориями

может быть получена из нейтронной дифракции

может быть получена из спектров неупругого рассеяния нейтронов

(впервые это показал L. Van Hove в 1954 г.)

Связь статических и

динамических свойств


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Спектрометр Спектрометр ““ГибридГибрид””

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:


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Спектрометр Спектрометр ““ГибридГибрид””

принцип действия спектрометра прямой геометрии

E-Q диаграмма для спектрометра “Гибрид” при Ei=100 meV

рассмотрены и выбраны монохроматоры:

PG002, Cu111


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Минимальный переданный импульс для установки Минимальный переданный импульс для установки ““ГибридГибрид””

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 150

1

2

3

4

5

6

72o

90o

60o

30o

2o

Ei=15 meV

Q (

A-1

)

E (meV)

Малые переданные импульсы (Q < 4 Å-1) необходимы для исследования магнитного вклада в рассеяние, поскольку магнитный формфактор быстро спадает с ростом Q


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Разрешение в импульсном пространстве для измерений Разрешение в импульсном пространстве для измерений монокристалловмонокристаллов

при использованнии позиционно чувствительных детекторов (разр. при использованнии позиционно чувствительных детекторов (разр. 2 см)2 см)

-2,0 -1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0,0 0,4 0,8

-2,0

-1,6

-1,2

-0,8

-0,4

0,0

0,4

Hybrid Ei=15 meV, A3=-90 deg

Qk (r

.l.u.)

Qh (r.l.u.)

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.

Плоскость рассеяния [100]/[010] )


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Карта интенсивности для монокристалла хрома – слой из 4х-Карта интенсивности для монокристалла хрома – слой из 4х-мерногомерного

пространства пространства Q-EQ-E, наши измерения, наши измерения нана TOF TOF приборе приборе MAPS MAPS (ISIS)(ISIS)


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Прямая геометрия против обратной для Прямая геометрия против обратной для TOF TOF спектроскопииспектроскопии

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Ei=60 meV

Ei=200 meV

Ef

4.9 meV

2 = 30 to 150 deg.

Q (

A-1)

neutron energy tranfer (meV)


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Компактный высокосветосильный спектрометр обратной Компактный высокосветосильный спектрометр обратной геометриигеометрии ““ГлобусГлобус””

область применения: - динамика решетки, плотность фононных состояний - системы с жестким фононным спектром, ковалентные кристаллы- вибрационная спектроскопия

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 образец-

детектор = вторую пролетную базу L2

тип спектрометра:

TOF прибор обратной геометрии с

Be фильтром (Ef < 5 meV)

Переданные энергии до 1.5 eV


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Подавление поглощения при переходе к эпитепловым Подавление поглощения при переходе к эпитепловым нейтронамнейтронам

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 объектовпри использовании естественных изотопных смесейЗаседание Научного Совета ОФН РАН “ФЭЧ ФЯФ ЯТ”, 25 февраля 2011

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Дифрактометр Дифрактометр ““ГрадусГрадус” ” для сильно поглощающих для сильно поглощающих нейтронынейтроны

материалов и исследований в высоких магнитных поляхматериалов и исследований в высоких магнитных полях

Разрешение по межплоскостному расстоянию

тип дифрактометра: малоугловой дифрактометр

область применения: - кристаллические структуры соединений B, Cd, Gd, Eu, Sm - магнитные структуры при высоких импульсных магнитных полях (до 60Тесла)


для 10% разрешения по d

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Пример – эксперимент на дифрактометре Пример – эксперимент на дифрактометре EXCED EXCED ((KEKKEK, , Япония)Япония)

Из доклада M.Arai на ICANS-2005


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Динамика решетки геликоидального магнетика Динамика решетки геликоидального магнетика MnSiMnSi Phys. Rev. B 82 (2010) 144307-144311Phys. Rev. B 82 (2010) 144307-144311

Линии – расчет в LDA приближении функционала плотностиЛинии – расчет в LDA приближении функционала плотности

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

E

nerg

y ( m

eV )

q (r.l.u.)

[1 1 1]

LDA

q (r.l.u.)

[1 1 0]

q (r.l.u.)

[0 0 1]


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

CCкирмионы в кирмионы в MnSiMnSi


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.

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

MnSi: MnSi: обобщенная и парциальные плотности фононных обобщенная и парциальные плотности фононных состоянийсостояний

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 550.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

MnSi Mn Si

Pho

non

DO

S

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.


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

MnSi – MnSi – анализ макроскопических магнитных свойстванализ макроскопических магнитных свойств

0 5 10 15 20 25 30 35 400.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0 10 20 30 40

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Debye LDAopt GGAopt GGAexp LDAexp

Cp

(Jou

le/m

ole

K)

T (K)

1

23

45

54321

Cp /

T (

Jou

le /

mo

le K

)

T (K)

полная теплоемкость C/T

магнитный и электронный вклады в

C/T

Решеточный вклад в теплоемкость


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Пример – Динамика решетки каркасно-кластерных (высших) Пример – Динамика решетки каркасно-кластерных (высших) боридовборидов

Phys. Rev. B 82 (2010) 024302-024307Phys. Rev. B 82 (2010) 024302-024307

Na

C C C C C C

C C C C C C

z

C C ### ### ### ###

y

C C ### ### ### ###

z

yx

C C ### ### ### ###

C C ### ### ### ###

z

C C ### ### ### ###

C C ### ### ### ###

z C C ### ### ### ###

C C ### ### ### ###

z

C C ### ### ### ###

C C ### ### ### ###

z

C C ### ### ### ###

y

C C ### ### ### ###

z

x

C C ### ### ### ###

y

C C ### ### ### ###

z

yx

C ### ### ### ### ###

C ### ### ### ### ###

z C ### ### ### ### ###

y

C ### ### ### ### ###

Yb

ClB12

C ### ### ### ### ###

z

(Me=Y, Zr, Hf, Gd÷Lu, U)

Me (0,0,0)

B (½,x,x), x ≈ 0.17

Symmetry group Fm3m

C ### ### ### ### ###

y

YbB12- structure of UB12 type (based on NaCl)


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Lattice dynamics in REB12: model calculations & experiment

Type of interacting atoms

Number of

coordination spheres

Characteristic force constant, N/m

RE-RE 1 0.5

RE-B 2 5

B-B 9 50-100

Force - constant modelPhonon dispersion curves along main symmetry directions

b)

a)

YbB

q (r.l.u.)

Ene

rgy

(meV

)

PhDOS (meV-1)

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Плотность фононных состояний в додекаборидахПлотность фононных состояний в додекаборидах


Ab-inito (DFT-LDA) calculationsand experiment

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Пример – изучение сильно поглощающих нейтроны веществ Пример – изучение сильно поглощающих нейтроны веществ методомметодом

рентгеновской спектроскопии (синхротроны рентгеновской спектроскопии (синхротроны DESY DESY и Сибирь-2и Сибирь-2)) Zeitschrift für Kristallographie: Vol. 225, No. 11, pp. 482-486 (2010)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

5700 5720 5740 5760

Gd0.85

Ce0.20

Ni

Gd0.50

Ce0.50

Ni

Gd0.15

Ce0.85

Ni

, r

el.u

nit

s

E, eV

Gd0.05

Ce0.95

Ni

Ce3+ Ce4+

5700 5720 5740 5760

A C

x = 0.05 x = 0.85

, r

el.u

nit

s

E, eV

B

A – вклад Ce3+

B – вклад Ce4+

C – структурная особенность метода спектроскопии XANES


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Температурная зависимость валентности для Температурная зависимость валентности для Gd/PrGd/PrxxCeCe1-x1-xNiNi

0 100 200 300

3,08

3,10

3,12

3,14

3,16

3,18

3,20

3,22

x = 0.85 x = 0.50 x = 0.15 x = 0.05

Ce

va

len

ce

T, K0 100 200 300

3,00

3,02

3,04

3,06

3,08

3,10

3,12

x = 0.85 x = 0.25

Ce

va

len

ce

T, K

PrxCe1-xNiGdxCe1-

xNi


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

- 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

ЗаключениЗаключениe e и планы на 2011 г.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

ЗаключениЗаключениe e и планы на 2011 г.и планы на 2011 г.


_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

ИЯИ РАН, 25 февраля 2011

Documents

25 февраля 2011