Модернизация магнитных систем для рефлектометров поляризованных нейтронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Гилев Александр Георгиевич

• Гилев Александр Георгиевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Гилев Александр Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НЕЙТРОНОВ И АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ УЛУЧШЕНИЙ МАГНИТНЫХ СИТЕМ

1.1 Рефлектометрия поляризованных нейтронов

1.2 Нейтронная техника для рефлектометрии поляризованных нейтронов

1.2.1 Поляризаторы нейтронных пучков

1.2.2 Веерные анализаторы поляризации

1.2.3 Рефлектометр нейтронов на источнике нейтронов непрерывного действия

1.3 Требования к магнитным системам рефлектометров поляризованных нейтронов

1.4 Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

1.4.1 Магнитомягкие материалы для построения магнитных систем рефлектометров поляризованных нейтронов

1.4.2 Магнитотвердые материалы для построения магнитных систем рефлектометров поляризованных нейтронов

1.5 Анализ возможностей применения магнитомягких и магнитотвердых материалов

1.6 Анализ применения магнитных сборок

1.7 Выводы

ГЛАВА 2 РАСЧЕТ ШИРОКОАПЕРТУРНЫХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ

2.1 Магнитная система веерного анализатора нейтронного рефлектометра №Яо (НИЦ КИ-ПИЯФ, Гатчина)

2.2 Магнитная система формирователя для нейтронного рефлектометра NeRo (НИЦ КИ-ПИЯФ, Гатчина)

2.3 Прочие магнитные системы

2.3.1 Магнитная система нейтронного многоканального веерного широкоапертурного анализатора для рефлектометра "Magnetism Reflectometer" импульсного нейтронного источника SNS (ОНЛ, США)

2.3.2 Магнитная система нейтронного анализатора рефлектометра РЕМУР (ОИЯИ, Дубна)

2.3.3 Магнитная система формирователя нейтронного пучка для рефлектометра РПН (ИБР-8, НИЦ КИ, Москва)

2.3.4 Магнитная система для расходомера многофазных текучих сред

2.4 Уменьшение влияния краевых эффектов

2.5 Выводы

ГЛАВА 3 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ДЛЯ РЕФЛЕКТОМЕТРА ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НЕЙТРОНОВ

3.1 Электромагнит для узла образца рефлектометра поляризованных нейтронов реактора ИР-8 НИЦ КИ

3.2 Обеспечение продолжительного режима работы электромагнита

3.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

110

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модернизация магнитных систем для рефлектометров поляризованных нейтронов»

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы происходит активное развитие технологий создания ультратонких слоев и многослойных структур, являющихся основой для разработки элементов наноэлектроники [1], используемых в свою очередь, при создании устройств магнитной записи и хранения информации, в сенсорах давления, магнитного поля, датчиков ионизирующего излучения и т.п.

Создание материалов и разработка принципиально новых наносистем требует развития современных методов их исследований и анализа. Нейтронное излучение находит широкое применение при исследованиях характеристик материалов благодаря слабому поглощению нейтронов веществом, наличия у нейтрона магнитного момента, а также благодаря отличию значений амплитуд рассеяния нейтронов на ядрах различных элементов и изотопов.

Нейтронная рефлектометрия возникла как метод исследования поверхности с помощью полного отражения нейтронов от среды. Затем она начала применяться для исследований слоистых структур при использовании брэгговского отражения нейтронов от периодической структуры. В настоящее время объектом ее исследований становятся сложные слоистые структуры и бислои с тонкими слоями, слоями с неоднородной структурой, изменяющимися толщиной и свойствами, а также слоями из «мягких» материалов (полимеры, биоструктуры, гели, жидкости). В этих структурах зеркальное отражение нейтронов сопровождается диффузным рассеянием на неупорядоченных объектах (кластеры, неоднородности на границах, частицы в объеме слоя) и неупругим рассеянием на возбуждениях среды. Таким образом, нейтронная рефлектометрия сейчас уже занимается исследованием структуры и динамики реальной слоистой структуры во всем ее многообразии, регистрируя все виды ядерного и магнитного рассеяния нейтронов, существующие в широком диапазоне вектора рассеяния. Дополнительные возможности применения нейтронов открываются в области исследований слоистых наноструктур в связи с разработанными недавно

методами, основанными на использовании стоячих волн. Так, было показано, что из-за слабого поглощения возможно усиление плотности нейтронной волны на несколько порядков. Это делает нейтронное излучение незаменимым для изучения слабомагнитных материалов. Новые возможности для исследования доменного магнитного состояния открывает использование явления расщепления нейтронной волны в магнито-неколлинеарном и осциллирующем магнитных полях. Информативность нейтронной рефлектометрии при исследованиях магнитной-ядерной неоднородной структуры существенно выросла в последнее время благодаря регистрации диффузно-рассеянных поляризованных нейтронов [2].

Для работы с поляризованными нейтронными пучками используют в основном следующие устройства: поляризаторы нейтронных пучков, анализаторы поляризации нейтронных пучков, нейтронные рефлектометры, различного типа электромагниты. Основной из составляющих эти устройства частей является магнитная система для поляризации нейтронного пучка.

Максимально возможная поляризующая эффективность достигается с магнитной системой, создающей достаточно однородное поле в большом объеме для того, чтобы упорядочить магнитные моменты в поляризующих покрытиях. С улучшением поляризующих нейтронных покрытий требования к магнитным системам повышаются. Для уменьшения вероятности отражения нейтронов с переворотом спина необходимо обеспечить коллинеарность магнитных моментов в слоях суперзеркала. По имеющимся экспериментальным данным, величина индукции магнитного поля при этом должна быть не менее 40^70 мТл. Также требуется минимизировать габариты магнитной системы, например, чтобы вписать ее в существующие габариты установки, максимально приблизить магнитную систему к позиционно-чувствительному детектору (ПЧД) для сохранения разрешения установки и т. д.

Анализ существующих магнитных систем на основе постоянных магнитов и электромагнитов для нейтронных рефлектометров показал, что описанные в литературных источниках образцы представляют собой либо морально

устаревшие и не имеющие актуальной значимости разработки [3], либо не отвечающие заданным требованиям, касающимся размеров зоны однородности, значения индукции магнитного поля, отклонения вертикальной составляющей магнитной индукции и массогабаритов [4,5]. Таким образом, актуальной является задача модернизации магнитных систем для рефлектометров поляризованных нейтронов.

Возможность улучшения характеристик магнитных систем обусловлена как появлением современных магнитотвердых и магнитомягких материалов, так и развитием методов проектирования их конфигураций. Разработка на основе этих возможностей модернизированных систем формирования в большом объеме однородного магнитного поля для рефлектометров поляризованных нейтронов и является целью диссертационной работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• определить необходимую зону однородности и величину индукции магнитного поля для оптических систем современных рефлектометров;

• исследовать возможность использования широкоапертурных магнитных сборок, то есть комбинаций магнитомягких и магнитотвердых материалов;

• минимизировать использование магнитных материалов за счет применения сборок;

• минимизировать краевые эффекты неоднородности индукции магнитного

поля.

Решение указанных задач позволило в настоящей диссертационной работе предложить конструкции компактных магнитных систем на основе постоянных магнитов и электромагнитов для создания индукции магнитного поля требуемой величины и однородности в оптической части поляризаторов и анализаторов нейтронных рефлектометров, в том числе используемых совместно с ПЧД широкоугольных анализаторов, у которых рабочая область с суперзеркальными каналами занимает весьма значительный объем.

Предложенные подходы также применимы для создания широкоапертурных магнитных систем в приборах другого применения. В качестве примера в работе приведена магнитная система для расходомера многофазных текучих сред.

Научная новизна работы:

• предложена компоновка широкоапертурных магнитных систем для рефлектометров поляризованных нейтронов на основе применения магнитных сборок, то есть комбинаций магнитомягких и магнитотвердых материалов;

• обосновано применение в сборках магнитотвердых материалов (на основе NdFeB), ранее не использовавшихся в аналогичных магнитных системах;

• разработаны способы минимизации краевых эффектов неоднородности индукции магнитного поля в системах для рефлектометров поляризованных нейтронов;

• показана возможность уменьшения массогабаритных показателей магнитных систем рефлектометров поляризованных нейтронов.

Практическая значимость работы

На основе предложенных в работе методов разработаны и созданы магнитные системы для:

• нейтронного многоканального веерного широкоапертурного анализатора рефлектометра "Magnetism Reflectometer" импульсного нейтронного источника SNS (ОНЛ, США);

• нейтронного анализатора рефлектометра РЕМУР реактора ИБР-2 (ЛНФ ОИЯИ, Дубна);

• формирователя пучка рефлектометра поляризованных нейтронов (РПН) реактора ИР-8 (НИЦ КИ, Москва);

• формирователя пучка нейтронного рефлектометра NeRo реактора ПИК (НИЦ КИ-ПИЯФ, Гатчина);

• веерного анализатора рефлектометра NeRo реактора ПИК (НИЦ КИ-ПИЯФ, Гатчина);

• электромагнита узла образца рефлектометра поляризованных нейтронов (РПН) реактора ИР-8 (НИЦ КИ, Москва).

Положения, выносимые на защиту:

• магнитные сборки на основе комбинаций магнитотвердых и магнитомягких материалов позволяют создавать в магнитных системах рефлектометров поляризованных нейтронов поле со значением индукции до 90 мТл и отклонением значения его вертикальной составляющей не более чем 5% в объеме до 9000 см3, при минимальном внешнем объеме магнитной системы до 37000 см3.

• магнитные сборки на торцах магнитных систем рефлектометров поляризованных нейтронов позволяют снизить влияние краевых эффектов, т. е. уменьшить расстояние от торца системы до начала зоны однородности до 2-х раз.

• профиль полюсных наконечников в виде Т-образного выступа в центральной части, и расположение катушек намагничивания симметрично в непосредственной близости от рабочей зоны позволяют создавать электромагниты рефлектометров поляризованных нейтронов с повышенными требованиями к величине индукции магнитного поля до 200 мТл и отклонением значения его вертикальной составляющей не более 2%.

Апробация результатов

Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, докладывались на Конференции по использованию рассеяния нейтронов в конденсированных средах РНИКС-2018 (СПб). В целом работа докладывалась на научных семинарах отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (Гатчина).

Все основные результаты диссертационной работы изложены в 5 печатных работах в периодических научных изданиях, из них 3 работы в изданиях, включенных ВАК РФ в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, из

которых 2 в издании, входящем в Международные базы цитирования Web of Science и Scopus.

Степень достоверности

Достоверность полученных в работе результатов обеспечена применением современных математических методов расчета магнитных систем, корректным построением измерительных схем тестирования этих систем, значительным объемом тестовых экспериментов и совпадением полученных экспериментальных результатов с расчетными данными.

Личный вклад автора в диссертационную работу состоит в:

• Анализе литературных источников по теме диссертации;

• Предложении методов использования новых компоновок магнитных систем для рефлектометров поляризованных нейтронов, в том числе комбинаций магнитомягких и магнитотвердых материалов, использования магнитотвердых материалов (на основе NdFeB), способов минимизация краевых эффектов магнитных систем;

• Проведении экспериментального анализа магнитотвердых материалов, применяемых для построения магнитных систем рефлектометров поляризованных нейтронов;

• Выполнении анализа и обобщения результатов полученных данных;

• Непосредственном участии в измерениях характеристик магнитных систем анализатора и формирователя рефлектометра "NeRo", формирователя нейтронного пучка для рефлектометра РПН, электромагнита узла образца РПН;

• Непосредственном участии в измерениях и обсуждении характеристик ранее созданных магнитных систем нейтронного рефлектометра НР-4М с целью их замены в будущем.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения общим объемом 110 страниц машинописного текста, содержит 6 таблиц и 51 рисунок, список литературы из 47 наименований.

ГЛАВА 1. РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НЕЙТРОНОВ И АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ УЛУЧШЕНИЙ МАГНИТНЫХ СИТЕМ

1.1 Рефлектометрия поляризованных нейтронов

Рефлектометрия представляет собой совокупность методов исследования плоских границ раздела сред путём анализа зеркально отражённых от изучаемой границы пучков молекул, атомов, частиц или электромагнитного излучения. Наиболее разработана нейтронная рефлектометрия, поэтому в узком смысле рефлектометрия - это совокупность методов изучения плоских границ раздела сред, в основе которых лежит зеркальное отражение пучка низкоэнергетических

1 3 2

нейтронов (<10" эВ), падающих под малыми углами скольжения (~10- -10" рад.) к плоскости границы.

Рефлектометрию поляризованных нейтронов (РПН) для исследования магнитного состояния вещества начали использовать еще в 80-х годах прошлого века. Первая работа была опубликована в 1981 году [6]. В ней впервые было показано, как, используя отражение поляризованных нейтронов, определить намагниченность «вблизи поверхности ферромагнетика».

В первых экспериментах с поляризованными нейтронами изучалось изменение поляризации нейтронов, прошедших через магнитную среду. Из этого эксперимента можно было узнать о среднем размере доменов в размагниченном ферромагнетике. Увеличение интенсивности нейтронного потока позволило от деполяризационных экспериментов перейти к экспериментам в режиме отражения при малых углах. РПН позволяет получать информацию о распределении ядерного и магнитного потенциала вглубь структуры на глубине до 1 микрона. При этом в режиме полного поляризационного анализа можно получить информацию не только о величине локальной намагниченности, но и ее направлении по отношению к внешнему полю. Это является уникальной возможностью рефлектометрии поляризованных нейтронов. Для получения такой

информации необходимо было развивать теорию взаимодействия поляризованных нейтронов с магнитно-неколлинеарной средой. Аналитическое выражение для коэффициентов отражения и пропускания от полубесконечной магнитно-неколлинеарной среды было получено в работе [7]. Аналогичная задача для многослойных сред была решена в работах [7], [8] и [9]. Данные решения являются обобщениями известных в оптике матричных [10] и рекуррентных соотношений [11] на случай частицы со спином

Необходимо отметить, что в вышеописанные работах рассматривалось отражение от плоскослоистых структур, свойства которых меняются только по одной координате (перпендикулярно плоскости образца). Однако у реальных образцов могут существовать локальные отличия свойств вещества в плоскости образца. В качестве примера таких отличий можно привести магнитные домены, шероховатости границ раздела, магнитные частицы в немагнитной матрице, сверхпроводящие вихри и т. д. Данные неоднородности ведут к рассеянию нейтронов в незеркальном направлении. Использование диффузного рассеяния для получения информации о неоднородностях в плоскости образца (латеральные неоднородности) началось в рентгеновской оптике с 60-х годов [10-12]. В течение десятилетия была развита теория диффузного рассеяния рентгеновского и нейтронного излучения на структурных шероховатостях в многослойных немагнитных структурах. Данная теория позволяла рассчитывать интенсивность диффузного рассеяния от рентгеновского излучения и неполяризованных нейтронов, однако для диффузного рассеяния поляризованных нейтронов от магнитных неколлинеарных структур требовалось учесть процессы возможного переворота спина нейтрона (спин-флип). В рамках борновского приближения искаженных волн (БПИВ) такая теория была развита в работе [9].

Основное физическое явление, которое используется в РПН эксперименте -это взаимодействие спина нейтрона с магнитной индукцией В в среде. При углах скольжения (угол между плоскостью образца и направлением волнового вектора нейтрона) в несколько миллирадиан значение переданного импульса составляет

3 11

10" -^10" А- , что определяет пространственное разрешение в определении намагниченности 10^1000 Â.

Метод нейтронной рефлектометрии заключается в измерении коэффициента отражения нейтрона как функции переданного импульса нейтрона. В большинстве случаев основным типом взаимодействия нейтронов со слоистой структурой при небольших углах скольжения нейтронов является зеркальное отражение нейтронов.

По характеру зависимостей коэффициентов отражения нейтронов от волнового вектора можно сделать вывод о магнитной структуре образца и ее ориентации относительно направления вектора поляризации нейтронного пучка.

Стандартная рефлектометрия с неполяризованными нейтронами измеряет пространственный профиль реальной части потенциала взаимодействия нейтронов со средой. В случае поляризованных нейтронов измеряется также пространственный профиль вектора индукции магнитного поля. При этом интенсивность подающего на исследуемую структуру потока нейтронов распределяется в основном в каналах отражения от структуры и поглощения в структуре нейтронов. Режим стоячих волн позволяет регистрировать пространственное распределение небольших количеств примесных ядер и атомов, создающих вторичное излучение частиц, гамма-квантов и рассеянных нейтронов [13, 14].

Реальные структуры неидеальны в той или иной степени, вдоль границ слоев существуют области, где материалы соседних слоев перемешаны вследствие взаимной диффузии атомов слоев. Поверхность пленки или поверхность межслойной границы в тонкопленочной многослойной структуре не плоская, она имеет шероховатость. Шероховатостью называется отклонение реальной поверхности от идеально гладкой поверхности. Шероховатость присуща в той или иной степени всем однослойным тонкопленочным структурам. Она возникает в процессе роста структуры и может изменяться в зависимости от внешних воздействий. Важно уметь характеризовать ее, чтобы правильно

определять свойства тонкопленочных структур и интерпретировать результаты исследований, проводимых на этих структурах.

В 1963 г. было установлено, что при падении коллимированного пучка рентгеновского излучения на поверхность исследуемых образцов (кристаллов и тонких пленок) под углом скольжения, превышающим (в 2-3 раза) критический угол материала образца, наряду с пиком зеркального возникает пик аномального отражения. Его положение почти совпадает с критическим углом материала образца и не изменяется с изменением угла скольжения падающего пучка. Таким образом, возникает диффузное рассеяние (незеркальное отражение) падающего рентгеновского излучения на неидеальной (шероховатой) поверхности образца. Этот эффект и пик аномального отражения названы в честь открывшего их И. Ионеды [15].

В реальной многослойной тонкопленочной структуре межслойные границы так же неидеальны, как и поверхность тонкого монослоя (однослойной тонкопленочной структуры на подложке) и поверхность толстого монослоя, соответствующего полубесконечной среде. Эти структуры имеют шероховатости, т.е. их границы в той или иной мере не плоские. Такие межслойные шероховатости возникают в процессе роста структуры, а также в процессе каких-либо воздействий на нее.

Наличие шероховатостей оказывает значительное влияние на физические свойства многослойных структур, приводит к возникновению анизотропного рассеяния в незеркальных направлениях. Такие несовершенства, в частности, уменьшают коэффициент зеркального отражения от многослойных структур. В целом, данные, полученные в рефлектометрическом эксперименте при рассеянии падающего на образец излучения любой исследуемой искусственной многослойной магнитной структуры (ИММС), могут заметно отличаться от расчетных данных, полученных при моделировании данного эксперимента, основанного на рассмотрении идеальной ИММС. Поэтому исследование природы шероховатостей и их корреляций между границами слоев многослойной

структуры с помощью диффузного рассеяния рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений представляют практический и фундаментальный интерес.

1.2 Нейтронная техника для рефлектометрии поляризованных нейтронов

Для работы с поляризованными нейтронными пучками используют в основном следующие устройства: поляризаторы нейтронных пучков, анализаторы поляризации нейтронных пучков, ротаторы поляризации нейтронных пучков, монохроматоры и нейтроноводы.

1.2.1 Поляризаторы нейтронных пучков

Поляризатор нейтронных пучков устанавливает не равными потоки нейтронов (Д+ Ф I-) с положительной и отрицательной проекцией спина нейтронов на направление магнитного поля. Для характеристики поляризующих свойств поляризатора используют параметр, называемый поляризующей способностью (поляризующей эффективностью) поляризатора Р:

Р = (Р+ - Р-)/(Р+ + Р-), (1)

где Р+ и Р- - коэффициенты прохождения нейтронами поляризатора (коэффициенты пропускания нейтронов через рабочие элементы поляризатора Т+ и Т- или коэффициенты отражения от них Я+ и Я-). В настоящее время применяют в основном два типа поляризаторов. К первому типу относятся зеркальные поляризаторы, основанные на пропускании нейтронов через намагниченное зеркало [16] или отражении нейтронов от него [17]. Ко второму относятся поляризаторы, основанные на рассеянии нейтронов при их пропускании нейтронов через газ поляризованных

-5

ядер Не [18]. Наибольшее распространение в настоящее время получили поляризаторы, основанные на отражении нейтронов от суперзеркал [19-20]. На рисунке 1.1 показана принципиальная схема

поляризатора, основанного на различии отражения плюс и минус спиновых компонент пучка нейтронов.

Рис. 1.1 Принцип работы поляризатора нейтронов, использующего отражение или пропускание нейтронов.

Первоначально неполяризованный пучок направляется на границу раздела вакуум-среда (Е - кинетическая энергия). Предполагается, что магнитное поле Н параллельно границе раздела и вектору индукции магнитного поля в среде В. Вещество среды выбирается таким, чтобы ее магнитный потенциал, соответствующий намагниченности среды, был равен ядерному потенциалу. В этом случае для нейтронов в «+» спиновом состоянии суммарный потенциал равен удвоенному значению ядерного потенциала и нейтроны с кинетической энергией в направлении перпендикулярно границе раздела меньшей суммарного потенциала отражаются. Для нейтронов в «-» спиновом состоянии изменение потенциала на границе равно нулю и они входят в среду и поглощаются. В результате отраженные нейтроны оказываются полностью поляризованными по направлению магнитного поля. Прошедшие же нейтроны оказываются полностью поляризованными против направления магнитного поля.

При практической реализации оказывается, что условие ^^ = ^^ (где ^^ - ядерный потенциал, ^^ - магнитный потенциал) выполнить достаточно трудно и это уменьшает поляризацию отраженного пучка нейтронов. Как уже

отмечалось, в настоящее время получили распространение поляризаторы с суперзеркальным покрытием. Суперзеркало представляет собой апериодическую бислойную структуру с уменьшающимся в глубину периодом. От этой периодической структуры реализуется полное и брэгговское отражение нейтронов с перпендикулярной компонентой волнового вектора, превышающей критическое значение волнового вектора. В результате интервал значений волнового вектора нейтронов, в котором R+ значительно превышает R-, возрастает, что отражается для реальных нейтронных спектрометров или в увеличении интервала длин волн нейтронов, или в увеличении телесного угла захватываемых поляризатором нейтронов. Это, в конечном счете, приводит к увеличению светосилы нейтронного рефлектометра.

1.2.2 Веерные анализаторы поляризации

Работа анализатора поляризации нейтронного пучка основана на тех же физических принципах, что и поляризатора. Однако его конструкция может значительно отличаться в случае необходимости регистрации диффузно рассеянных нейтронов. Таким примером является

веерный анализатор поляризации, описанный в работе [22-24]. На рисунке 1.2 показаны две геометрии взаимной ориентации исследуемого образца и зеркального анализатора поляризации. При этом предполагается, что за анализатором расположен позиционно-чувствительный детектор (ПЧД на рисунках 1.2. и 1.3 обозначен как PSD), регистрирующий нейтроны, рассеянные в плоскости xz. В первой геометрии (а) на рисунке 1.2 зеркала анализатора расположены вдоль оси у в плоскости x'z перпендикулярно отражающей плоскости образца ху, так что для исключения прямой видимости из позиции образца ось х' наклонена под углом 0f к оси х. Недостатком этой схемы является то, что размер входного окна зеркала в направлении оси у составляет миллиметры, что значительно меньше соответствующего размера образца (сантиметры). В результате «работает» только часть образца,

Рис. 1.2 Схема взаимной ориентации исследуемого образца и анализатора поляризации пучка нейтронов: а) — геометрия перпендикулярной ориентации плоскости образца к зеркалам анализатора; б) — геометрия параллельной ориентации плоскости образца к зеркалам анализатора.

Анализатор

I / >

Рис. 1.3 Конструкция веерного анализатора поляризации пучка нейтронов с

прямыми зеркалами.

А поэтому светосила данной геометрии оказывается низкой.

Во второй геометрии (б) зеркала анализатора стоят вдоль оси 2 так, что их плоскости расположены под фиксированным углом к радиусу-вектору, проведенному из позиции образца к зеркалу. В результате обеспечивается одна и та же эффективность анализа поляризации рассеянного пучка. При этом размер окна анализатора в направлении оси у может превышать соответствующий размер образца и светосила не ограничивается. Данная геометрия пригодна для сравнительно больших образцов, а также в случае двумерной регистрации нейтронов. В веерном анализаторе, описанном в [22], используются изогнутые зеркала, исключающие, как уже отмечалось, уменьшение поляризующей эффективности из-за отсутствия пролета нейтронов без столкновения с зеркалами. Однако для фиксированного минимального значения длины волны нейтронов длина изогнутых зеркал оказывается в 4 раза больше, чем прямых, что повышает стоимость анализатора.

Рассмотрим конструкцию (рисунок 1.3) веерного анализатора с прямыми зеркалами [23, 24]. Образец перекрывает пучок шириной я. Плоскость входного окна анализатора находится на расстоянии L0 от оси образца. Каждый канал анализатора образован двумя одинаковыми суперзеркалами длиной Lm, между которыми сверху и снизу установлены клиновидные прокладки вдоль оси канала, сужающиеся к входу в анализатор. Плоскости суперзеркал расположены перпендикулярно к плоскости рисунка. Ширины канала на его входе и выходе равны а1 и а2 соответственно. Оси соседних каналов анализатора развернуты друг относительно друга на угол Д0 = (а2 - а^/^. Высота канала И постоянна по его длине. Ширина анализируемого пучка на выходе анализатора равна Ь. Анализатор установлен вплотную перед входом в ПЧД. Таким образом, на ПЧД область засветки составляет Ь х h. В конструкцию анализатора включена

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гилев Александр Георгиевич, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чаплыгин Ю.А. Нанотехнологии в электронике. - М.: Техносфера, 2005. -446 с.

2. Никитенко Ю.В., Сыромятников В.Г. Рефлектометрия поляризованных нейтронов. - М.: Физматлит, 2013. - 224 с.

3. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. - М.: Наука, 1964. -С. 199-244.

4. Balasoiu M., Kirilov A.S., Kutuzov S.A., Smirnov A.A., Kappel W., Cios M., Cios

A., Kuklin A.I. Magnetic system for small-angle neutron scattering investigation at YUMO instrument of nanomaterial // Joint Institute for Nuclear Research. - 2008. -P.3.

5. Осинская Ю.В., Петров С.С., Покоев А.В., Рунов В.В. Исследование методом малоуглового рассеяния нейтронов магнитопластического эффекта в бериллиевой бронзе при старении в магнитных полях. Физика твердого тела. - 2010. -Т. 52. -

B. 3. - 487 с.

6. Felcher G.P. Neutron reflection as a probe of surface magnetism // Phys. Rev. -1981. - V.24. - N.3. - P. 1595 - 1598.

7. Pleshanov N.K. Spin particles at stratified media // Z. Phys. B. - 1996. - V. 100 - P. 507.

8. Radu F. Generalized matrix method for the transmission of neutrons through multilayer magnetic systems with noncollinear magnetization // Physica B. - 2001. -V.267-268. - P. 175 - 180.

9. Rühm A. Supermatrix approach to polarized neutron reflectivity from arbitrary spin structures // Phys. Rev. B. - 1999. - V.60. - P.1607.

10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.

11. Parratt L.G. Surface studies of solids by total reflection of x-rays // Phys. Rev. -1954. - V. 95. - P. 359-369.

12. Vineyard G.H. Grazing-incidence diffraction and the distorted-wave approximation for the study of surfaces // Phys. Rev. B. - 1982. - V.26. - N.8. - P. 4116 - 4159.

13. Никитенко Ю.В. Нейтронные стоячие волны в слоистых системах. Докторская диссертация. - Дубна, 2009. - 294 с.

14. Никитенко Ю.В. Нейтронные стоячие волны в слоистых системах: образование, детектирование и применение в нейтронной физике и для исследований наноструктур. Физика элементарных частиц и атомного ядра. -2009. - Т.40. - В. 6. - С. 1682-1794.

15. Yoneda Y. Anomalous surface reflection of X-rays // Phys. Rev. - 1963. -V.131. -N.5. - P. 2010.

16. Krist Th., Pappas C., Keller Th., Mezei F. The polarizing beam splitter guide at BENSC // Physica В. - 1995. - V.213-214. - P. 939-941.

17. Hamermesh M. Applications of total reflection of neutrons // Phys. Rev. -1950. -V. 77. - P. 140-140.

18. Heil W., Dreyer J., Hofmann D., Humblot H., Lelievre-Berna E., Tasset F.3He neutron spin-filter // Physica B. - 1999. - V. 267-268. - P. 328-335.

19. Mezei F., Dagleish P.A. Corrigendum and first experimental evidence on neutron supermirrors // Comm. Phys. - 1977. - V. 2. - P. 41-43.

20. Плешанов H.K. Исследование несовершенств структуры и разработка нейтронных поляризующих суперзеркал CoFe(V)/TiZr. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Гатчина, 2007. - 160 с.

21. Schebetov A.F., Pleshanov N.K., Pusenkov V.M., Peskov B.G., Shmelev G.E., Kraan W.H., Рог P.T., Rekveldt M.Th., Mikhailova V.E. Construction and testing of a multichannel polarizer for thermal neutrons // Nuclear Instruments and Methods B. - 1994. - V. 94. - P. 575.

22. Krist Т., Fritzsche H., Mezei F. A large angle neutron polarisation analyser // Applied Physics A. - 2002. - V.74. - P. 221.

23. Nikltenko Yu.V., Ulyanov V.A., Pusenkov V.M., Kozhevnikov S.V., Jernenkov K.N., Pleshanov N.K., Peskov B.G., Petrenko A.V., Proglyado V.V., Syromyatnikov V.G., Schebetov A.F. Fan analyzer of neutron beam polarization on REMUR spectrometer IBR-2 pulsed reactor // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. -2006. - V. 564. - P. 395-399.

24. Syromyatnikov V.G., Schebetov A.F., Lott D., Bulkin A.P., Pleshanov N.K., Pusenkov V.M. PNPI wide-aperture fan neutron supermirror analyzer of polarization // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - 2011. -V. 634. - P. 126.

25. Крупчицкий П.А. Фундаментальные исследования с поляризованными нейтронами. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 127 с.

26. Grogoriev S. V., Okorokov A.I., Runov V.V. Peculiarities of the construction and application of a broadband adiabatic flipper of cold neutrons // Nucl. Instr. Methods A. - 1997. - V.384. - P.451-456.

27. Марусина М.Я., Базаров Б.А., Галайдин П.А., Силаев А.А., Марусин М.П., Закемовская Е.Ю., Гилев А.Г., Алексеев А.В. Магнитная система на основе постоянных магнитов для расходомера многофазных текучих сред. Измерительная техника, 2014. - Т.4. - С. 62-65.

28. Никитенко, Ю.В., Сыромятников В.Г. Рефлектометрия поляризованных нейтронов. - М.: Физматлит, 2013. - 224 с.

29. Syromyatnikov V.G., Pleshanov N.K., Pusenkov V.M., Schebetov A.F., UTyanov V.A., Kasman Ya.A., Khakhalin S.I., Kolkhidashvili M.R., Slyusar V.N., Sumbatyan A.A. Four-modes neutron reflectometer NR-4M // Gatchina: Preprint PNPI. - 2005. -N. 2619. - P. 47.

30. Gilev A.G., Pleshanov N.K., Bazarov B.A., Bulkin A.P., Schebetov A.F., Syromyatnikov V.G., Tarnavich V.V., Ulyanov V.A. Magnetic systems for wide-aperture neutron polarizers and analyzers // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - 2016. -V. 833. - P. 233-238.

31. Гилев А.Г., Ульянов В.А., Калинин С.И., Дьячков М.В., Шмелев Г.Е. Электромагнит узла образца рефлектометра поляризованных нейтронов реактора ИР-8 НИЦ «Курчатовский институт». Научное приборостроение, 2019. - Т.29. -В.2. - С. 54-63.

32. Ul'yanov V.A., Nikitenko Yu.V., Pusenkov V.M., Kozhevnikov S.V., Jernenkov K.N., Pleshanov N.K., Peskov B.G., Petrenko A.V., Proglyado V.V., Syromyatnikov V.G., Schebetov A.F. A fan analyzer of neutron beam polarization on the spectrometer REMUR at the pulsed reactor IBR-2 // Nuclear Instruments and Methods A. - 2006. -V. 564. - P. 395-399.

33. Syromyatnikov V.G., Schebetov A.F., Lott D., Bulkin A.P., Pleshanov N.K., Pusenkov V.M. PNPI wide-aperture fan neutron supermirror analyzer of polarization // Nuclear Instruments and Methods A. - 2011. - V. 634. - P. 126-129.

34. Korneev D.A. A new spin-flipper with a prolonged working area for non-monochromatic neutron beam // Nucl. Instr. Methods. - 1980. -V.169. - P. 65-68.

35. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. - М.: Высш. школа, 1986. - 352 с.

36. Пятин Ю.М. Постоянные магниты справочник. - М.: Энергия, 1980. - 488 c.

37. Halbach K. Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material // Nucl. Instr. Methods A. - 1980. — V.169. - P. 1-10.

38. Chew W.C., Jin J., Song J. Fast and efficient algorithms in computational electromagnetics. - Artech House, 2001. - P. 346.

39. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков. - М.: Мир, 1986. - 336 с.

40. Monk P., Finite Element Methods for Maxwell's Equations // Oxford: Clarendon Press, 2003. - P. 265-266.

41. Taflove A., Hagness S.C. Computational electrodynamics: the finite-difference time-domain method // Artech House, 2005. -P. 96-99.

42. Jin J. The finite element method in electromagnetics // Wiley-IEEE Press, 2002. - P. 153.

43. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 261 c.

44. Gilev A.G., Bazarov B.A., Ulyanov V.A., Syromyatnikov V.G., Lauter V., Kuznetsov I.N., Medvedev E.N. Development and creation of magnetic system for fan analyzer of polarization of neutrons // Gatchina: Preprint PNPI. - 2012. -N. 2916. - P. 11.

45. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Энергия, 1972. - 248 с.

46. Gilev A.G., Pleshanov N.K., Bazarov B.A., Bulkin A.P, Shebetov A.F., Syromyatnikov V.G., Ulyanov V.A., Lauter V. Magnetic systems for neutron optical polarizers and analyzers with large cross section // Gatchina: Preprint PNPI. -2013.-N.2931.-P.17.

47. Борисенко А.И., Данько В.Г., Яковлев А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. - М.: Энергия, 1974. - 558 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблица А. 1 - Некоторые характеристики промышленных магнитомягких

материалов.

Материал ^нач ^тах нс, А/м 11$ » ноле Н$ Р, Он • и

Технически чистое железо 250 3.500—4500 40—100 2,18 т Н = 5 • 10^ А/м 10П

Электротехническая сталь 200-600 3000—8000 10—65 1,89 Т, Н=3- К» А/м (6-2,5)- 10-я

г Пермаллои: шиконикелевые (~40—50% N4) высоконикелевые 79% N1) 2 000—4 000 15 000—100 000 15000— 60000 70 000—300 000 5—32 0,65—4 1,3—1,6 т 0,7—0,75 Т (4,5-9) ■ 10"' (1.6—8,5) • ИГ*

Ферриты: никельиииковые марганеццииковые 10— 2 000 * 700—20 000 * 40— 7 000 I 800—35 000 1700—8 28—0,25 0,2-0,35 Т 0,15—0,46 Т 10"—10 20—10"»

Магнитодиэлектрики па основе: альсифера карбонильного желе.ча молибденового пермаллоя 20-65 5—15 60—250 — — — —

* При / = юи кГц.