1.1. История нейтронного рассеяния.

В 1935 году профессор Джеймс Чадвик был удостоен Нобелевской премии за открытие нейтронов. Энрико Ферми в 1942 году показал, что нейтроны, которые образуются в результате деления ядра урана, могут поддерживать контролируемую цепную реакцию. Еще раньше, в 1938 году, он был удостоен нобелевской премии за открытие того, что замедленные нейтроны легко взаимодействуют с окружающим веществом и могут быть использованы для определения положений и колебаний атомов вещества. В конце Второй мировой войны исследователи из США получили доступ к большим потокам нейтронов, которые производились на впервые построенных ядерных реакторах. Первые эксперименты по нейтронной дифракции были выполнены Эрнестом Воланом в 1945 году на Графитовом реакторе в Лаборатории Окридж, США. Совместно с Клиффордом Шуллом они сформировали принципы данного экспериментального метода исследования и успешно применили его к исследованию различных материалов. Клиффорд Шулл и Бертрам Брокхаус показали, что направления, в которых нейтроны «упруго» рассеиваются без изменения энергии, дают информацию о положении и упорядочении атомов вещества. В 1994 году Шулл и Брокхаус были удостоены Нобелевской премии за их новаторские подходы и идеи в развитии методов нейтронного рассеяния.

За прошедшие 50 лет все больше ученых в областях физики, химии, биологии, материаловедения, геологии и многих других обращаются к использованию нейтронного рассеяния в поисках ответов на наиболее сложные проблемы в их областях исследований.

1.2. Источники нейтронов.

В настоящее время рассеяние нейтронов практических уходит от изучения атомной и магнитной структуры и динамики простых кристаллов. Акцент все более делается на изучении наноструктур, разупорядоченных систем, сложных химических реакций, процессов катализа. Расширяется активность в области исследования сложных жидкостей, самоорганизующихся систем, экзотических электронных состояний.

Все эти задачи могут быть поставлены и решены только на современных высокопоточных источниках нейтронов: ядерных реакторах, где используется контролируемая реакция деления ядер урана или плутония, или испарительных источниках на базе протонных ускорителей при бомбардировке тяжелых ядер протонами высоких энергий. Поток нейтронов может быть либо постоянным, либо пульсирующим. При таких процессах производимые нейтроны имеют большие значения энергии, что требует дополнительной установки на источник замедлителей нейтронов. В результате формируется поток нейтронов с длинами волн, сравнимыми с межатомными расстояниями в жидкостях и твердых телах, с кинетическими энергиями, сравнимыми с динамическими процессами в веществе. Как правило, замедлители изготавливаются из алюминия и заполняются жидким водородом, или жидким метаном (в зависимости от необходимых параметров выходящего нейтронного пучка).

Наиболее интенсивные источники нейтронов являются очень дорогими при создании и в обслуживании, и их количество в мире, вообще говоря, мало. В 1950 году был построен первый реактор, предназначенный непосредственно для научных исследований. Его единственной целью было производство как можно большей интенсивности нейтронного излучения. Со временем нейтронные источники превратились в универсальные научно-исследовательские установки, применимые в широком спектре экспериментальных исследований. В настоящее время чуть больше 30 лабораторий в мире оборудованы средне- и высокопоточными нейтронными установками. Научно-исследовательские нейтронные источники являются исключительно источниками нейтронов и неприменимы для каких либо других целей.

1.3. Свойства нейтронов.

Нейтрон является электрически нейтральной элементарной частицей, одной из составных частей ядра атома, с массой почти в 2000 раз тяжелее электрона. Время жизни нейтрона как свободной частицы около 15 минут, несмотря на то, что в связанном состоянии в ядре атома нейтрон является стабильной частицей.

Основные свойства нейтронов, применяемые в нейтронном рассеянии:

• Энергия замедленных нейтронов сравнима с энергией атомных и молекулярных движений, и находится в диапазоне от мэВ до эВ.
• Длина волны замедленных нейтронов сравнима с межатомными расстояниями, что позволяет исследовать структуру вещества в диапазоне 10^-5 – 10⁵ Å.
• Поскольку нейтроны являются нейтральными частицами, они взаимодействуют с ядрами атомов, а не с диффузными электронными оболочками. Сечение рассеяния нейтронов на близких по массе ядрах может существенно отличаться, это дает возможность «видеть» легкие ядра на фоне тяжелых, эффективно применять метод изотопного замещения, легко различать соседние элементы. Эта особенность является большим преимуществом перед методом рентгеновского рассеяния, в котором излучение рассеивается на электронной оболочке атомов.
• наличие магнитного момента у нейтронов позволяет изучать микроскопическую магнитную структуру и магнитные флуктуации, которые определяют макроскопические параметры вещества.
• Нейтронное излучение является глубоко проникающим вглубь вещества, что позволяет проводить исследования микроскопических свойств, типа микротрещин, промышленных объектов. Подобные исследования невозможно выполнить с помощью оптических методов, рентгеновского рассеяния или электронной микроскопии.
• Нейтроны являются безвредным, неповреджающим излучением даже в случае исследования живых биологических систем.

Основное отличие нейтронного излучения от рентгеновского в том, что рассеяние нейтронов происходит на ядрах атомов. Следовательно, отсутствует необходимость учитывать атомный форм-фактор для описания формы электронного облака атома, кроме того, рассеивающая способность атома не убывает с увеличением угла рассеяния, что наблюдается для рентгеновского рассеяния. Дифрактограммы в нейтронном рассеянии имеют четкие пики рассеяния даже при больших углах рассеяния.

Следует так же указать на одну важную особенность нейтронного излучения. Рентгеновское рассеяние практически нечувствительно к наличию атомов водорода в структуре, в то время как ядра водорода и дейтерия являются сильными рассеивателями для нейтронного излучения. Это означает, что с помощью нейтронов возможно намного более точно определить положение водорода и его тепловые колебания в кристаллической структуре. Более того, длины нейтронного рассеяния водорода и дейтерия имеют противоположные знаки, что позволяет применять технику «вариации контраста». Изменяя изотопный состав буфера образца (варьируя количество водорода и дейтерия), экспериментатор получает возможность менять вклад в рассеяние различных составных частей исследуемого объекта. На практике, тем не менее, не желательно работать с большими концентрациями водорода в образце, поскольку нейтронное рассеяние имеет большую неупругую компоненту при рассеянии на водороде. Это приводит к образованию большого фона, слабо зависящего от угла рассеяния и пики упругого рассеяния «погружаются» в фоне неупругого рассеяния. Особенно эта проблема возникает при исследовании жидких образцов на основе воды. Варьирование других изотопов помимо водорода и дейтерия возможно, но, как правило, является очень дорогим решением. Водород является относительно недорогим и в то же время интересным элементом, потому что он играет исключительно большую роль в биохимической структуре вещества.

Взято из открытых источников.