Исследование совершенства структуры монокристаллов методом нейтронной дифракции для экспериментов по изучению фундаментальных свойств нейтрона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Семенихин, Сергей Юрьевич

• Семенихин, Сергей Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Семенихин, Сергей Юрьевич

1 Введение

1.1 Кристалл-дифракционные методы в физических исследованиях

1.2 Требования к качеству кристаллов.

1.3 Методы анализа совершенства кристаллов

2 Исследование совершенства монокристаллов методом отражения под углом Брэгга ~эо°. Описание метода

2.1 Основная идея нового метода.

2.2 Экспериментальная установка.

2.2.1 Схема установки.

2.2.2 Влияние угловой разъюстировки кристаллов на измерение межплоскостного расстояния.

2.2.3 Юстировка.

2.2.4 Система монохроматизации и выведения пучка

2.3 Проверка метода и тестовые измерения образцов

3 Исследование монокристаллов кварца для ЭДМ-эксперимента

3.1 Проблема существования ЭДМ у нейтрона.

3.2 Кристалл-дифракционный метод поиска ЭДМ нейтрона

3.3 Сравнение метода УХН и кристалл-дифракционного метода поиска ЭДМ нейтрона

3.3.1 Описание ЭДМ-эксперимента

3.3.2 Основные достоинства кристалл-дифракционной методики.

3.4 Сравнительное исследование монокристаллов кварца искусственного и естественного происхождения.

3.4.1 Сравнительный анализ оптического и пьезокварца

3.4.2 Результаты исследования монокристаллов кварца

4 Исследование кристаллов кремния для эксперимента по проверке эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона

4.1 Описание эксперимента.

4.1.1 Постановка задачи.

4.1.2 Идея эксперимента.

4.1.3 Экспериментальная проверка чувствительности метода к внешней силе

4.1.4 Постановка эксперимента по проверке эквивалентности

4.2 Изготовление и исследование качества кремниевого интерферометра

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование совершенства структуры монокристаллов методом нейтронной дифракции для экспериментов по изучению фундаментальных свойств нейтрона»

1.1 Кристалл-дифракционные методы в физических исследованиях

Кристалл-дифракционные методы исследований нашли широкое применение во многих областях физики, а их развитие в нашей стране в большой степени связано с работами в этой области, проводимыми в Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ РАН). Создание в 1956 г. П.И.Лукирским и О.И.Сумбаевым первого в стране кристалл-дифракционного спектрометра по Дю-Монду ГСК-1 [1] можно считать началом научной школы дифракционных исследований. Развитие новых представлений физики дифракции излучения на монокристаллах в работах этой школы привело к созданию уникальных кристалл-дифракционных установок, с помощью которых были проведены исследования в самых различных областях физики, в частности, наблюдение эффекта химического смещения рентгеновских линий К-серии тяжелых элементов [2—4], работы по изучению эффекта изотопического смещения для определения зарядовых радиусов ядер [5,6], измерению эффектов сверхтонкого уширения и смещения рентгеновских линий, обусловленного сверхтонким взаимодействием тока электронной оболочки атома с магнитным моментом ядра [7,8], изучение эффекта увеличения интенсивности отражения рентгеновского излучения (эффект пьезоквазимозаичности) от монокристаллических кварцевых пластин при помещении их между обкладками конденсатора [9], измерение спектров гамма-линий на 4-х метровом гамма-спектрометре по Кошуа ГСК-2М [10] из (п,7) реакции нечетно-нечетных ядер для построения детальных схем распада, а также измерения гамма-спектра активной зоны реактора в области 95-250 кэВ [11, 12]. Упомянутые выше работы - это лишь малая часть физических приложений кристалл-дифракционных методов. Более подробно ознакомиться с ними можно в обзорах [13,14].

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Семенихин, Сергей Юрьевич

Результаты исследования двухкристального кремниевого интерферометра показан на рис. 4.13, где Аё/ё — величина изменения относиа(220) с; <в х о с; о С

-60

-40

-20 образца 0 ММ

20

-1,6-18-

-2,0-2 2 -

1 ( < 1 »

-2,4-2 6- ( > , < » ( >

-2 8- < I .

-3,0-

•- --'- -'- -'- -'-

-4,1 46 -5,1

-5,6 Ь -6,1 р' -6,6 -7,1 -7,6

40

Рис. 4.13: Распределение относительного изменения межплоскостных расстояний для рефлекса (220) в различных точках исследуемого образца монокристалла кремния тельного межплоскостного расстояния кристалла для данной плоскости, 1 — положение пучка нейтронов относительно центральной области кристалла, которая была принята за нулевое положение.

Из этих результатов видно, что однородность в данном кристалле лучше Ас1/с1 ~ 2,4 • Ю-6. На рис. 4.14 представлены ширины рефлексов в различных точках монокристалла интерферометра.

11 -,

10 9 5 X

1 8 го

I £

6 7 3 6

220) I

-60

40

11,1

-20 1

20

1 , ММ образца 1

-1 2,8 2,5 2,3 2,0 1,8 1,5 г-40

V О го

X О. 3

1,3

Рис. 4.14: Ширины рефлексов в различных точках исследуемого образца монокристалла кремния. На правой оси ординат значения ширин рефлексов в единицах Ас1/с1

Глава 5

Заключение

1. Разработан новый метод относительного измерения межплоскостных расстояний монокристаллов, основанный на использовании дифракции нейтронов под углом Брэгга ~ 90°, обладающий следующими достоинствами:

• данный метод позволяет производить измерение межплоскостных расстояний относительно эталонного монокристалла с точностью лучше чем 5й/й~ Ю-7;

• размер исследуемого образца ограничен лишь длиной поглощения нейтронов в кристалле и для таких монокристаллов как кварц может достигать величины >50 см;

• метод не требует предварительной подготовки исследуемого образца, т. е. образец может иметь любую форму и огранку;

• при измерениях не требуется высокая точность угловой юстировки образцов;

• сравнительно невысокие требования к точности экспериментального оборудования, необходимого для проведения таких исследований.

2. На основе нового метода создана экспериментальная установка с рабочим диапазоном длин волн А = 3 - бА, что позволяет исследовать межплоскостные расстояния монокристаллов в диапазоне й= (1,5-3,0)А. Отработана методика юстировки углового положения кристаллов и анализа экспериментальных данных.

3. Проведен анализ образцов монокристаллов кварца различного происхождения: природных и искусственно выращенных. Анализ показал, что большой класс искусственно выращенных кристаллов практически не отличим от идеальных и они обладают высокой степенью пространственной однородности по всему объему. Наилучшими являются искусственные кристаллы оптического кварца 7. ориентации. Кристаллы, имеющие природное происхождение, обладают существенно большей степенью неоднородности, что затрудняет изготовление из них кристаллических пластин большого размера.

4. Исследованы и отобраны монокристаллы кварца с разбросом межплоскостного расстояния Ас1/(1о < 5 • Ю-6 и суммарным размером 100 х 100 х 500 мм3 для изготовления составного кристалла, необходимого для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом. Предварительные расчеты показывают, что использование такого составного кристалла в ЭДМ-экспери-менте позволит достичь точности (2 3) ■ Ю-26 е- см за 100 суток измерений.

5. Изготовлен двухкристальный кремниевый интерферометр с размерами 90 х 94 х 140 мм3 для эксперимента по проверке эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона. Проведено исследование неоднородности его межплоскостных расстояний. Степень неоднородности Ad/d0 составила не более чем 2,4 • Ю-6 по всему объему. б. На основе предложенного метода получен патент на изобретение "Способ определения относительного изменения межплоскостных расстояний совершенных кристаллов" №2394228, 2010 г.

Автор выражает глубокую благодарность руководителям диссертационной работы д.ф-м.н. Воронину В.В. и д.ф-м.н. профессору Федорову В.В. А также соавторам работ Лапину Е.Г., Кузнецову И.А. и Брагинец Ю.П., без помощи которых трудно было бы надеяться на положительный результат. За полезные обсуждения и помощь в подборе литературы выразить признательность Румянцеву В.Л. Персоналу реактора ВВР-М за обеспечение работы реактора, что позволило провести экспериментальную и несомненно важную часть исследований, а также всем сотрудникам Петербургского института ядерной физики, принимавших участие в работе на разных этапах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Семенихин, Сергей Юрьевич, 2010 год

1. П.И. Лукирский, О.И. Сумбаев. Двухметровый кристалл-дифракционный 7—спектрометр. Известия АН СССР, серия физ., 20 (1956) 903-908.

2. О.И. Сумбаев, А.Ф. Мезенцев. Химический сдвиг рентгеновских линий K-серии олова. ЖЭТФ, 48, вып. 2 (1965) 445-453.

3. О.И. Сумбаев, А.Ф. Мезенцев, В.И. Марушенко, Е.В. Петрович, A.C. Рыльников. Химический сдвиг экранирования внутренних уровней тяжелых элементов. ЖЭТФ, 50, вып. 4 (1966) 861-869.

4. О.И. Сумбаев. Эффект химического смещения рентгеновских Ка-линий в тяжелых атомах. Систематика экспериментальных данных и сравнение с теорией. ЖЭТФ, 57, вып. 11 (1969) 1716-1727.

5. О.И. Сумбаев, А.Ф. Мезенцев. Экспериментальное обнаружение изотопического сдвига рентгеновских линий Kai молибдена. ЖЭТФ, 49, вып. 2 (1965) 459-469.

6. А.Ф. Мезенцев, О.И. Сумбаев, В.И. Марушенко, A.C. Рыльников, Г.А. Иванов, А.И. Егоров, Г.Н. Попова. Изменения зарядовых радиусов ядер изотопов tV24,126,128'130 по данным об изотопических смещениях рентгеновских/Са1-линий. ЯФ, 11, вып. 6 (1970) 11411145.

7. A.C. Рыльников, Г.А. Иванов, В.И. Марушенко, А.И. Смирнов, О.И. Сумбаев. Изотопический эффект сверхтонкого уширениярентгеновских линий. Письма в ЖЭТФ, 12 (1970) 128-131.

8. A.C. Рыльников, А.И. Егоров, Г.А. Иванов, В.И. Марушенко, А.Ф. Мезенцев, А.И. Смирнов, О.И. Сумбаев, В.В. Федоров. Эффект сверхтонкого уширения рентгеновских линий. ЖЭТФ, 63 (1972) 53-62.

9. Лапин Е.Г., Самсонов В.М., Солодов Г.П., Сумбаев О.И., Тю-нис A.B. Эффект пьезоквазимозаичности при дифракции рентгеновского излучения. ЖЭТФ, 72 (1977) 1016-1024.

10. О. Sumbaev, A. Smirnov. 4-meter Cauchois spectrometer for neutron-capture 7-radiation research. Nucl. Instr. and Meth., 22 (1963) 125-137.

11. В.Л. Алексеев, В.Л. Румянцев. Измерение гамма-спектра активной зоны реактора в интервале энергии 95-600 кэВ. Известия РАН, серия физ., 68, вып. 8 (2004) 1124.

12. В.Л. Алексеев, В.Л. Румянцев, В.В. Федоров. Измерение гамма-спектра активной зоны реактора на кристалл-дифракционном гамма-спектрометре ГСК-2М. Препринт ПИЯФ-2605, Гатчина (2005) 35 с.

13. В.В. Федоров. Взаимодействие частиц и 7-излучения с кристаллами и применение кристалл-дифракционных методов в физических исследованиях. Сборник статей ПИЯФ-XXV (1996) 65-75.

14. В.В. Федоров. Кристалл-дифракционные методы в физике. Материалы XXXVII и XXXVIII зимних школ ПИЯФ (2004) 5-53.

15. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin. Neutron spin optics in noncentrosymmetric crystals as a new way for nEDM search. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B252 (2006) 131.

16. B.B. Воронин, И.А. Кузнецов, Е.Г. Лапин, С.Ю. Семенихин, В.В. Федоров. Эффект дифракционного усиления и новые возможности измерения заряда нейтрона и отношения его инертной массы к гравитационной. Ядерная физика, 72, 1\КЗ (2009) с. 505511.

17. Пинскер З.Г. Рентгеновская кристаллооптика. Москва, Наука, 1982.

18. Авторское свидетельство СССР SU 1249415 А1. Способ определения относительного изменения межплоскостных расстояний в монокристаллах, 1984.

19. Н. Rauch and D. Petrachek. Dynamical neutron diffraction and its application, in Neutron diffraction, ed. by H. Duchs (Springer, Berlin, 1978) 303-351.

20. А.А.Блистанов, B.C. Бондаренко, H.B. Переломова, Ф.Н. Стри-жевская, В.В. Чкалова, М.П. Шаскольская. Акустические кристаллы; под ред. М.П. Шаскольской. М.Ж Наука. Главная ред. физ.-мат. литературы, 1982.

21. Алексеев В.Л., Воронин В.В., Лапин Е.Г., Леушкин Е.К., Румянцев В.Л., Сумбаев О.И., Федоров В.В. Измерение сильного электрического внутрикристаллического поля в швингеровском взаимодействии дифрагирующих нейтронов. ЖЭТФ, 96 (1989) 1921-1926.

22. Федоров В.В. О возможности поиска ЭДМ нейтрона при дифракции в нецентросимметричном кристалле. Материалы XXVI Зимней школы ЛИЯФ (ФЭЧ), 4.1. с. 65-118. Л-д., 1991.

23. Smith K.F., Crampin N., Pendlebury J.M., et al. A search for the electric dipole moment of the neutron. Phys. Lett., B234 (1990) 191-196.

24. Baker C.A., Doyle D.D., Geltenbort P., et al. Improved Experimental Limit on the Electric Dipole Moment of the Neutron. Phys. Rev. Lett., 97 (2006) 131801.

25. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin. Neutron spin optics in a noncentrosymmetric crystals as a way for nEDM search. New experimental results. Physica B, 385-386 (2006) 1216-1218.

26. Harris P.G., Baker C.A., Green K., Iaydjiev P., Ivanov S., May D.J.R., Pendlebury J.M., Shiers D., Smith K.F., Van der Grinten M., Geltenbort P. New Experimental Limit on the Electric Dipole Moment of the Neutron. Phys. Rev. Lett., 82 (1999) 904.

27. F. Tasset, P.J. Brown, E. Lelie'vre-Berna, T. Roberts, S. Pujol, J. Allibon, E. Bourgeat-Lami. Spherical neutron polarimetry with Cryopad-II. Physica B, 267-268 (1999) 69-74.

28. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin and V.V. Voronin. Neutron Laue diffraction in a weakly deformed crystal at the Bragg angles close to тг/2. Письма В ЖЭТФ 85 (2007) 90.

29. N. Kato. Pendellösung Fringes in Distorted Crystals III. Application to homogeneously bent crystals. J. Phys. Soc. Japan 19 (1964) 971

30. Алексеев В.Л., Лапин Е.Г., Леушкин Е.К., Румянцев В.Л., Сумба-ев О.И., Федоров В.В. Гравитационный эффект при дифракции нейтронов на изогнутом кварцевом монокристалле. ЖЭТФ 94 (1988) 371.

31. S.A. Werner. Gravitational and magnetic field effects on the dynamical diffraction of neutons. Phys. Rev. B, 21 (1980) 1774-1789.

32. A. Zeilinger, C.G. Shull, M.A. Home and K.G. Finkelstein. Effective Mass of Neutrons Diffracting in Crystals. Phys. Rev. Lett., 57 (1986) 3089.

33. В.Л.Инденбом, И.Ш.Слободецкий, К.Г.Труни. Рентгеновский интерферометр с узким пучком. ЖЭТФ, 66 (1974) 1110.

34. J. Arthur, С. G. Shull and A. Zeilinger. Dynamical neutron diffraction in a thick-crystal interferometer. Phys. Rev. B, 32 (1985) 5753.

35. В.Б. Брагинский, В.И. Панов. Проверка эквивалентности инертной и гравитационной масс. ЖЭТФ, 61 (1971) 873-880.

36. В.В. Воронин, Ю.П. Брагинец, И.А. Кузнецов. Анализ систематики дифракционного эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона. Препринт ПИЯФ-2827, Гатчина (2009) 24 с.

37. В.В. Воронин, И.А. Кузнецов, Е.Г. Лапин, С.Ю. Семенихин, В.В. Федоров. Эффект дифракционного усиления и новые возможности измерения заряда нейтрона и отношения его инертной массы к гравитационной. Ядерная физика, 72, N* 3 (2009) 505-511.

38. J. Schmiedmayer. The equivalence of the gravitational and inertial mass of the neutron. Nucl. Instr. Meth. A 284 (1989) 59-62.