Исследование взаимодействия очень холодных нейтронов с конденсированными средами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ



' о о

J

3.39

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н.ЛЕБЕДЕВА

Президиум ВАК Россгк :

|( от' " 19-12 Г., №

|| щжудмл. ученую степень ДОКТО '^Р |

______ наук

енм.й ВАК России

На правах рукописи

Перекрестенко Анатолий Дмитриевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗИМОДЕЙСТВИЯ ОЧЕНЬ ХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ С КОНДЕНСИРОВАННЫМИ СРЕДАМИ

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ.

стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОЧЕНЬ ХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ С КОНДЕНСИРОВАННЫМИ СРЕДАМИ..............................................................................................13

1.1. Процессы взаимодействия нейтронов с конденсированными средами........................................................................................................„..13

1.2. Упругое некогерентное рассеяние нейтронов на немагнитных

монодисперсных неоднородностях.........................................................;... 15

1.2.1. Модельные представления рассеяния ОХН на неоднородностях.... 19

1.2.2. Рассеяние ОХН в случайно - неоднородной среде пуассоновского типа...................................................................................22

1.3. Упругое некогерентное рассеяние нейтронов на полидисперсных немагнитныых системах...............................................................................25

1.3.1. Прямое обращение без предположения об аналитической форме функции распределения.............................................................................26

1.3.2. Аналитическое обращение для частиц определенной формы с априорной информацией об их распределении...................................31

1.4. Упругое некогерентное рассеяние ОХН двухфазными системами.....36

1.5. Упругое когерентное рассеяние ОХН упорядоченными и квазиупорядоченными системами рассеивателей...................................39

1.6. Упругое некогерентное рассеяние ОХН статическими магнитными неоднородностями в магнетиках..,.....................................48

1.7. Неупругое рассеяние ОХН, обусловленное динамическими процессами в веществе, находящемся в конденсированном состоянии........................................................................................................54

1.8. Выводы............................................................................................................57

-з -

Глава 2. ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ОЧЕНЬ ХОЛОДНЫХ

НЕЙТРОНОВ. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБРАБОТКА................................................................................59

2.1. Краткое описание спектрометра................................................................59

2.2. Методика измерений и учет поправок при расчете сечений.............63

2.3. Выводы............................................................................................................70

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ...........71

3.1. Исследование микропреципитатов в промышленных

кристаллах кремния....:.................................................................................71

3.1.1. Постановка задачи......................................................................................71

3.1.2. Образцы........................................................................................................73

3.1.3. Результаты исследований..........................................................................78

3.1.3.1. Методы лазерной масс - спектрометрии и вторичной ионной масс - спектрометрии...............................................................................78

3.1.3.2. Метод ОХН..............................................................................................80

3.1.3.2.1. Исследования монокристаллов р - Si марок КДБ-1, КДБ-0,03, КДБ-0,005, специального образца и монокристалла, выращенного методом бестигельной зонной плавки....................80

3.1.3.2.2. Исследования монокристаллов р - Si марки КДБ-12.....................83

3.1.4. Обсуждение результатов............................................................................86

3.2. Исследование палладия и систем PdH иРсЮ.........................................89

3.3. Стекла...............................................................................................................98

3.3.1. Теллуритно - фосфатные стекла................................................................98

3.3.2. Кварцевое стекло......................................................................................104

3.4. Исследование Н20 и D20 в жидкой фазе с помощью ОХН...........106

3.4.1. Структурно - динамические модели воды и рассеяния

нейтронов...................................................................................................106

3.4.2. Экспериментальные результаты исследования

взаимодействия ОХН с Н20................................................................108

3.4.3. Взаимодействие ОХН с D20...............................................................114

3.5. Ниобий...........................................................................................................116

3.6. Уран и его изотоп - 235U........................................................................118

3.6.1. Взаимодействие ОХН с металлическим ураном................................119

3.6.2. Взаимодействие ОХН с 235U...............................................................124

3.7. Выводы...........................................................................................................125

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ...............128

4.1. Изучение частично - кристаллических полимеров

с помощью рассеяния ОХН......................................................................128

4.1.1. Надмолекулярная структура кристаллизующихся полимеров

и релаксационные процессы в них......................................................128

4.1.1.1. Уровни надмолекулярной структуры и их влияние

на физико - химические свойства вещества.....................................128

4.1.1.2. Влияние условий кристаллизации, молекулярной массы, деформаций на надмолекулярную структуру аморфно -кристаллических полимеров. Технология полимеризации.............129

4.1.1.3. Методы изучения надмолекулярной структуры полимеров...........131

4.1.1.4. Свойства полиэтилена и политетрафторэтилена

при низких температурах и методы их изучения.........................133

4.1.2. Характеристики исследуемых образцов и режимов

их приготовления......................................................................................134

4.1.3. Полные сечения взаимодействия ОХН с полиэтиленом..................138

4.1.4. Полные сечения взаимодействия ОХН с (- CD2 — )

( дейтерированным полиэтиленом ), политетрафторэтиленом и сополимером полиэтилена с полиалленом.....................................144

4.1.5. Обсуждение полученных результатов...................................................150

4.1.6. Надмолекулярная структура изотактического полипропилена..........155

4.2. Исследование структуры и динамики веществ, обладающих

жидко - кристаллической структурой.......................................................163

4.2.1. Особенности надмолекулярной структуры лиотропных

жидких кристаллов и блок - сополимера..............................................163

4.2.2. Исследование водного раствора додецилоксиэтиленгликоля

с помощью ОХН......................................................................................165

4.2.3. Исследование водного раствора бензопурпурина - 46......................174

4.2.3.1. 1% - раствор бензопурпурина - 46.....................................................174

4.2.3.2. 2,46% - раствор бензопурпурина - 46...............................................179

4.2.4. Исследование 6% - водного раствора дисульфоиндантрона...........181

4.2.5. Исследование блок - сополимера полистирол - полибутадиен -полистирол в экспериментах по пропусканию и

отражению ОХН.......................................................................................186

4.2.5.1. Зависимости полных сечений взаимодействия ОХН

с блок - сополимером............................................................................186

4.2.5.2. Исследование сверхструктуры блок - сополимера

с помощью дифракции ОХН..............................................................190

4.3. Выводы...........................................................................................................196

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОХН

С ФЕРРОМАГНЕТИКАМИ Ге,5*М...........................................199

5.1. Образцы.........................................................................................................199

5.2. Полные сечения взаимодействия ОХН...................................................203

5.3. Параметры магнитных неоднородностей и их анализ........................207

5.4. Выводы..............................................................;...........................................212

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................213

ЛИТЕРАТУРА.

216

ВВЕДЕНИЕ

При создании новых материалов с заданными свойствами особое внимание в последние годы уделяется изучению наноструктур, оказывающих существенное влияние на свойства и характеристики материалов.Макрос-копические свойства вещества, определяющие его практическое применение, такие как тепло - и электропроводность , прочность , эластичность и т. д., зависят от атомной, надатомной, надмолекулярной структур, а также в ряде случаев определяются тепловой подвижностью ядер, молекул и их образований. Важнейшую роль при этом играют элементы структуры с характерными размерами от единиц до сотен нанометров.

Действительно, в этих пределах находятся размеры неоднородностей различной физической природы в полупроводниковых материалах, металлах, сплавах, размеры центров зародышеобразования фаз, кристаллитов в кристаллизующихся полимерах III, размеры предполагаемых кластеров в жидкостях и аморфных веществах / 2,3 /, размеры мицелл в лиотропных жидких кристаллах / 4/, доменов в блок-сополимерах/5/, функциональных элементов биологических объектов 16/. И, наконец, в этом диапазоне, по-видимому, находится предел возможной миниатюризации электроники 111. Этот, далеко не полный, перечень дает представление об актуальности исследований наноструктур.

Следует отметить, что сложная наноструктура веществ, как правило, является причиной усложнения их динамических свойств. Особенно сложной динамикой отличаются водородосодержащие жидкости, жидкие кристаллы и полимеры / 8 /. Медленные диффузионные и низкочастотные колебательные процессы дают существенный вклад в спектр собственных колебаний этих объектов. Суперпозиция молекулярных движений различных типов при высокой подвижности ядер водорода затрудняет как теоретические, так и экспериментальные исследования водородосодержащих веществ, выделяя их в особый класс объектов и делая актуальной проблему создания и разработки новых методов их исследований. Трудно предположить, что исследование веществ со столь сложной надмолекулярной структурой (НМС) и динамикой возможно с помощью какого-то одного универсального метода.

Применение рассеяния медленных нейтронов для изучения НМС и динамики полимеров, жидких кристаллов, биологических объектов, растворов и жидкостей относительно молодое, но быстро развивающееся направление исследований. Доля нейтронных пучков, используемых с той целью в крупнейших лабораториях Франции, США, ФРГ, Англии постоянно увеличивается / 9-12 /. В нашей стране такие исследования проводятся на исследовательских реакторах ПИЯФ /13 /, ОИЯИ /14, 15 / и некоторых других институтов.

Развитие нейтронных методов исследования вещества, использующих высокопоточные пучки нейтронов привело к созданию уникальных установок на импульсных и стационарных реакторах таких как трехкристальные спектрометры, спектрометры обратного рассеяния /16/,спин-эхо спектрометры - /17/, малоугловые дифрактометры с высоким разрешением по переданному импульсу /18/, фурье дифрактометры высокого разрешения /19/ и др. Создание и функционирование подобных приборов требует больших затрат, высокого уровня математического обеспечения, высокоточных механических узлов, больших пролетных баз и так далее. В то же время использование для исследований очень холодных нейтронов (ОХН) значительно упрощает экспериментальные методики.

Под термином ОХН подразумеваются нейтроны с длинами волн > 2нм

и энергиями < Ю-4 эВ. Перечисленные параметры предопределяют свойства ОХН, использование которых делает их рассеяние перспективным методом исследования вещества в конденсированном состоянии. Поскольку длина волны ОХН существенно превышает межатомные расстояния, они не "чувствуют" структуру на микроскопическом уровне. Однако, такие нетроны эффективно рассеиваются на НМС с характерными размерами порядка длины волны нейтрона.

Рассеяние очень холодных нейтронов неоднородностями среды с размерами порядка длины волны ОХН, характеризующимися скачком потенциала рассеяния на границе неоднородность - среда, может быть с успехом использовано для определения параметров надатомной, надмолекулярной структуры вещества, находящегося в конденсированном состоянии / 20 /. Отсюда следует - огромная роль наноструктуры, как фактора, определяющего макроскопические свойства вещества, с одной

стороны стимулирует совершенствование традиционных методов ее изучения, с другой - разработку и поиск новых.

Для исследования наноструктур наиболее широко используются электронная микроскопия, рентгеновская дифракция и малоугловое рассеяние нейтронов. Однако, наряду с неоспоримыми достоинствами они обладают существенными недостатками. Так, например, электронная микроскопия требует сложной предварительной подготовки образцов и не позволяет исследовать структуру в объеме образца толщиной более 1 Омкм. С помощью рентгеновских лучей нельзя исследовать магнитные структуры. Метод малоуглового рассеяния нейтронов относится к сложным дорогостоящим методам.

На возможности использования рассеяния очень холодных нейтронов в исследованиях конденсированных сред впервые указано в работах / 21-23 /. Однако, всестороннее рассмотрение возможностей ОХН в изучении структуры и динамических особенностей конденсированных сред -упорядоченных, неупорядоченных, простых и сложных, магнитных и немагнитных - осуществлено коллективом сотрудников Физического института под руководством и непосредственном участии автора данной диссертации. Метод рассеяния ОХН является простым в употреблении, дающим информацию, не уступающую по качеству другим методам, а в ряде случаев дополняющую ее.

Теоретические исследования взаимодействия ОХН с однофазными /20, 24-35/ и двухфазными /36-42/ гетерогенными структурами, обладающими надмолекулярной (надатомной) структурой разной степени упорядоченности с характерными размерами от единиц до сотен нанометров показали, что рассеяние ОХН определяется размером, концентрацией и формой неоднородностей, шириной переходной области от неоднородности к матрице, характерными размерами и степенью кристалличности квазимо-нокристаллических и монокристаллических сверхструктур. В случае магнитных веществ теоретически продемонстрировано - рассеяние ОХН зависит от наличия статических магнитных нанонеоднородностей.

Таким образом, используя теоретические разработки и созданную в Физическом институте экспериментальную установку "Времяпролетный спектрометр ОХН" /43 - 49 /, находящуюся в эксплуатации на ядерном

реакторе Атомного центра Московского инженерно-физического института, были созданы оригинальные методики, позволяющие относительно просто, без разрушения образца, исследовать наноструктуру конденсированных сред и их динамические особенности. Суть методик заключается в измерении зависимостей полных сечений взаимодействия ОХН с веществом

(v -скорость нейтронов) на времяпролетном спектрометре ОХН при разных физических условиях (температурах, магнитных полях и др.) по пропуска -нию пучка нейтронов через вещество, выделении сечений парциальных процессов взаимодействия и анализе зависимостей сечений парциальных процессов с помощью соответствующих разработанных формализмов. Исполь -зуемые в практике приближенные методы вычисления сечений взаимодей -ствия - борновское, эйконала, геометро - оптическое ( в дальнейшем - reo -метрическое ) приближения, обычно характеризуются параметром C=\U\l/hv , определяющим область их применения. Здесь /- характерный размер рассеивателя, fi -постоянная Планка, U - рассеивающий потенциал . Область применимости борновского приближения £« 1, эйконального Частицы, для которых £"»1, обычно считаются "большими", и в этом случае хорошим приближением является геометрическое. Следует отметить - данная работа ограничена областью применимости борновского приближения. Однако уже имеются первые работы при условии выпол -нения эйконального /50/ и геометрического приближений / 33,51,52/.

В случае применимости борновского приближения, в средах со статистически распределенными неоднородностями метод рассеяния ОХН позволяет определять:

1 .Эффективный размер ( в диапазоне ~ 1 -г-102 нм ) и концентрацию ( > 1012см~3) неоднородностей различной физической природы /53-55/.

2.3ависимость концентрации неоднородностей от их размеров.

3.Геометрическую форму неоднородностей.

4.Ширины переходных слоев от неоднородности к матрице.

5.Перепады плотности на границе двух фаз, удельную площадь поверхности раздела фаз.

6.Температуру фазовых переходов ( жидкие кристаллы / 56-58 /).

В случае упорядоченных и квазиупорядоченных наноструктур (металлы после больших доз облучения потоками у -квантов и нейтронов, жидкие

кристаллы, полимерные системы, биополимеры), используя методики пропускания пучка ОХН через образец и измерения рассеяния ОХН при постоян -ном угле отражения и переменной длине волны нейтрона можно определить:

1.Тип сверхрешетки, параметр порядка /41,59,60/.

2.Степень разупорядоченности, характерные размеры областей когерентности/41/.

При создании магнитных материалов одним из важнейших вопросов является изучение магнитной наноструктуры, ответственной за магнитные свойства и характеристики материалов. Упругое рассеяние ОХН на магнитных неоднородностях позволяет определить:

1 .Статические флуктуации магнитной индукции < АВ2 >1/2 /61-63/.

2.Длины корреляций /, соответствующие по порядку величины раз -мерам магнитных неоднородностей /61-63/.

Бол