СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА В СПЕКТРЕ РАССЕЯННЫХ НЕЙТРОНОВ ОТ МАГНИТНЫХ ОБРАЗЦОВ
METHOD OF PICKING UP USEFUL SIGNAL IN SPECTRUM OF SCATTERED NEUTRONS FROM MAGNETIC SAMPLES

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, в частности к технике рассеяния поляризованных нейтронов при использовании их для изучения магнитных материалов с помощью камеры высокого давления. Типичная камера высокого давления, используемая в современных физических экспериментах, состоит из конического сосуда высокого давления, капсулы высокого давления, поддерживающего кольца и поршней. Основным методом получения гидростатического давления является использование системы цилиндр - поршень [1-5]. Движущийся под внешним усилием, например гидравлического пресса, поршень уменьшает объем среды и создает тем самым давление в цилиндрической камере.
Известно, что в нейтронных экспериментах используются камеры высокого давления [6-9]. Однако здесь важную роль начинают играть материалы, из которой состоит камера высокого давления (КВД). Обычно используются композитные сплавы, которые активно рассеивают нейтроны в малоугловой области, при этом можно зафиксировать типичные картины малоуглового рассеяния нейтронов от образца моносилицида марганца MnSi при температуре ниже критической температуры перехода спиновой системы в состояние спиновой спирали: карта малоуглового рассеяния нейтронов без камеры высокого давления (а) и с камерой высокого давления (б). Хорошо видно, что рассеяние на фиг.2 (а) представляет собой ярко выраженное кольцо интенсивности с центром при Q=0 и радиусом Q=k, где k - это волновой вектор спиновой спирали. Кольцо означает, что рассеяние происходит от большого числа спиральных доменов, в которых направления волнового вектора спиралей случайно распределены. Заметим, что в центре карты располагается поглотитель пучка, который защищает детектор от нежелательного воздействия мощного прошедшего через образец пучка нейтронов. С другой стороны, на фиг.2. (б) карта рассеяния представляет собой пучок, многократно рассеянный на толстых стенках камеры высокого давления. Для лучшей визуализации этого процесса, поглотитель пучка был выведен из центра детектора и его слабая тень отчетливо видна на левом краю детектора. При этом рассеяние на стенках камеры настолько велико, что полезный сигнал рассеяния на магнитных спиралях фактически не наблюдаем. Для уменьшения фона в экспериментах по рассеянию нейтронов с использованием современных КВД применяют сапфировые окна для прохождения нейтронного пучка [8, 9]. Это сильно повышает стоимость камеры, уменьшает ее рабочий объем и сопровождается сложностью при ее создании.
Известен способ отсечения нежелательного фона от полезного сигнала в магнитном монохроматоре поляризованных нейтронов (Гармошки Драбкина), разработанного в Ленинградском Институте Ядерной Физики в 1960-1970 годах. Схематически действие монохроматора представлено на фиг.3 [10, 11]. Пучок тепловых нейтронов попадает в магнитный монохроматор, принцип работы которого основывается на феномене пространственного спинового резонанса (ПСР) поляризованных нейтронов. Блок-схема ПСР-монохроматора, приведеная на фиг.3 (а), состоит из поляризатора Р, широкополосного флиппера F, флиппера-резонатора FR, анализатора А. Спектры, получаемые после каждого элемента Р, F, FR, А, показаны схематически на фиг.3 (б). Спектр после поляризатора Р описывается сверткой исходного спектра нейтронов и коэффициента отражения зеркала-поляризатора (фиг.3 б - 1). Следующий элемент монохроматора - адиабатический радиочастотный спин-флиппер - переворачивает спины нейтронов относительно направления ведущего поля (фиг.3 б - 2). Резонансный флиппер возвращает спины нейтронов к прежнему направлению, но только в узкой полосе длин волн, для которых выполняются условия резонанса (фиг.3 б - 3). Для этих нейтронов спины совпадают с направлением ведущего поля. Поскольку анализатор, также представляющий собой поляризующее зеркало, отражает лишь нейтроны со спинами вдоль поля, то отражается только узкий резонансный пучок (фиг.3 б - 4). Однако этот способ используется только для отсечения полезного сигнала от фона прямо в пучке поляризованных нейтронов, а не для рассеянного пучка нейтронов.
Известен способ изучения рассеяния нейтронов от немагнитных и магнитных материалов в экспериментах с камерой высокого давления [6, 7, 9].
Образец помещают в камеру высокого давления, которая в свою очередь устанавливается на пучок нейтронов для того, чтобы зарегистрировать дифракцию нейтронов на кристаллической структуре образца. Благодаря тому факту, что нейтроны обладают относительно высокой проникающей способностью, некоторая часть падающего нейтронного пучка проходит через стенку камеры до образца, и дифрагирует на нем, отражаясь под некоторым углом порядка 90 градусов по отношению к оси пучка. Дифрагированный пучок (полезный сигнал) накладывается на большой фон рассеяния на стенках камеры высокого давления. Поскольку фоновая интенсивность неравномерно распределена по углу рассеяния и сконцентрирована в области малых углов, давая на большие углы рассеяния лишь некогерентный фон, то полезный сигнал часто превышает сигнал фона, что позволяет исследовать рассеяние нейтронов от материалов в экспериментах с камерой высокого давления. Однако, существенным ограничением такого метода является тот факт, что с помошью него невозможно исследовать структуры с большим периодом или наноразмерные объекты, поскольку рассеяние от них будет наблюдаться в области малых углов рассеяния. В тоже время на малых углах наблюдается существенный вклад фона, который перекрывает полезный сигнал.
Наиболее близким является способ выделения полезного сигнала в спектре рассеянных нейтронов от магнитных материалов в экспериментах с камерой высокого давления [12]. Используется стандартная схема для изучения малоуглового рассеяния нейтронов фиг.4. (а). Предположим, что пучок монохроматических нейтронов падает на образец, магнитная система (структуру) которого исследуется. Образец установлен внутри камеры высокого давления. На фиг.4. (а) пучок нейтронов рассеивается на стенках камеры, что дает существенный фон при регистрации рассеяния на детекторе нейтронов. Очевидно, что магнитные рефлексы едва заметны на огромном фоне из-за рассеяния на камере. При этом, интенсивность фона и интенсивность сигнала складываются при регистрации интенсивности рассеянных нейтронов на детекторе. Статистическая ошибка регистрации интенсивности равна корню квадратному из числа зарегистрированных нейтронов, то есть сумме полезного сигнала и фона. Таким образом, ошибка измерения большого фона входит в ошибку измерения сигнала и в данном случает существенно превышает ее, иногда превышая и интенсивность самого полезного сигнала. В этом случае полезный сигнал невозможно зарегистрировать. На сегодняшний день не предложено и не реализовано способа выделения полезной - магнитной - части рассеяния поляризованных нейтронов в экспериментах с камерой высокого давления.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа выделения полезной - магнитной - части рассеяния поляризованных нейтронов в экспериментах с камерой высокого давления, т.е. учитывать уменьшение фона при работе с КВД - использование техники поляризованных нейтронов для выделения полезного сигнала от мощного фона, производимого стенками камеры.
Поставленная задача достигается тем, что выделение полезного сигнала в спектре рассеянных нейтронов от магнитного образца, установленного в камеру высокого давления, осуществляется с помощью поляризованных нейтронов, которые анализируются с помощью спин-флиппера и анализатора поляризации нейтронов.
Камеры высокого давления используются для нейтронных экспериментов, но при этом важную роль играют материалы, из которых состоит КВД. Чтобы исключить влияние этих материалов камеры на результаты исследования, предлагается использовать особенности и закономерности рассеяния поляризованных нейтронов на магнитных системах. Суть способа состоит в том, что при рассеянии на немагнитных системах, поляризация рассеянного пучка нейтронов не меняется, а остается такой же, как и у падающего пучка нейтронов. В то же время при рассеянии на магнитных системах заметная часть рассеяния (а иногда и все рассеяние) происходит с переворотом спина нейтрона [13]. Таким образом, можно отделить ту часть рассеяния, которая идет с переворотом спина, от той, которая идет без переворота спина на физическом уровне, т.е. в момент регистрации сигнала. Предлагаемый способ подходит только для исследования образцов магнитных материалов. Так, используя поляризованные нейтроны, выделяется полезная - магнитная- часть рассеяния, которая идет с переворотом спина нейтрона. Немагнитная часть, в том числе фоновая от КВД, вычитается физическим прибором -анализатором. В итоге, для магнитных экспериментов с поляризованными нейтронами можно использовать стандартные камеры высокого давления.
0
Используем схему для постановки экспериментов малоуглового рассеяния нейтронов для исследования магнитных материалов под давлением. Предположим, что пучок поляризованных нейтронов падает на образец, магнитную систему (структуру) которого представляется интересным исследовать. Образец установлен внутри камеры высокого давления. На фиг.4. (б) пучок поляризованных нейтронов рассеивается на стенках камеры, что дает существенный фон при регистрации рассеяния на детекторе нейтронов. При этом поляризация нейтронов, рассеянных на стенках камеры, оказывается такой же, как и у падающего на образец пучка нейтронов +Р.
0
Нейтроны, рассеянные на магнитных спиралях (магнитные/рефлексы), имеют поляризацию -Р. В то же время, если в эксперименте используется спин-флиппер (14), расположенный до образца, и анализатор (13), расположенный после образца, то появляется возможность разделить полезный - магнитный - сигнал от фона.
Если спин-флиппер не работает, то магнитные отражения отсекаются анализатором и на детектор (8) приходит лишь фон от камеры высокого давления (9). Если же спин-флиппер (14) включен, то интенсивность магнитных отражений приходит на детектор (8), а анализатором (13) отсекается фон от камеры высокого давления (9). Именно эта ситуация представлена на фиг.4(б). В этом случае статистическая ошибка регистрации интенсивности равна корню квадратному из интенсивности только полезного сигнала. В этом случае полезный сигнал легко зарегистрировать.
Сущность изобретения подтверждается графическими материалами.
Фиг.1 Схема камеры высокого давления, где:
1 - поршни;
2 - конический сосуд высокого давления;
3 - капсула высокого давления;
4 - поддерживающее кольцо.
Фиг.2 Малоугловое рассеяние нейтронов без КВД (а) и в КВД (б).
Фиг.3 Схема действия магнитного монохроматора поляризованных нейтронов.
Фиг.4 Схема постановки эксперимента малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов для исследования магнитных материалов, помещенных в камеру высокого давления, (а) без использования спин-флиппера и анализатора, (б) с использованием спин-флиппера и анализатора, где:
5 - магнитное отражение;
6 - прошедший пучок;
7 - рассеяние от КВД (камеры высокого давления);
8 - детектор;
9 - камера высокого давления;
10 - образец с магнитными спиралями;
11 - поляризатор нейтронов;
12 - селектор скоростей;
13 - анализатор нейтронов;
14 - спин-флиппер.
s
Q - волновой вектор спирали;
Q - переменная переданного импульса.
Таким образом, предложен и разработан способ выделения полезного сигнала при исследовании магнитных материалов под давлением с помощью малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов. Способ позволяет подавить фон от рассеяния на стенках камеры высокого давления на физическом уровне. В результате на детекторе остается значительно очищенный от фона полезный магнитный сигнал.
Способ может использоваться для определения магнитной составляющей материалов в экстремальных условиях (условиях высокого давления) в промышленности.
Список литературы:
1. Ravil A. Sadykov, Natalia S. Bezaeva, Alexander I. Kharkovskiy, Pierre Rochette, Jerome Gattacceca, and Vladimir I. Trukhin, Rev. Sci. Instrum. 79, 115102 (2008).
2. J. Diederichs, А.K. Gangopadhyay, and J.S. Schilling, Phys. Rev. В 54, R9662 (1996).
3. J. Kamarád, Z. Machátová, and Z. Arnold, Rev. Sci. Instrum. 75, 5022 (2004).
4. K.V. Kamenev, S. Tancharakorn, N. Robertson, and A. Harrison, Rev. Sci. Instrum. 77, 073905 (2006).
5. A.V. Komilov, V.M. Pudalov, Y. Kitaoka K. Ishida, G.-q. Zheng, T. Mito, and J.S. Quails, Phys. Rev. В 69, 224404 (2004).
6. W. Wang, D.A. Sokolov, A.D. Huxley, and K.V. Kamenev, Rev. Sci. Instrum. 82, 073903 (2011).
7. В.J. Maier, R.J. Angel, B. Mihailova, W.G. Marshall, M. Gospodinov and U. Bismayer, J. Phys.: Condens. Matter 23 (2011) 035902.
8. Kaoru J. Takano and Masao Wakatsuki, Rev. Sci. Instrum. 62, 1576 (1991).
9. В.И. Бобровский, В.П. Глазков, С.Е. Кичанов, Д.П. Козленко, Б.Н. Савенко, В.А. Соменков, Физика твердого тела 46, вып.8 (2004) 1398-1401.
10. S.V. Grigoriev, V.V. Runov, A.I. Okorokov., A.D. Tretjakov, O.A. Gubin, M.K. Runova, G.P.Kopitsa, " Nucl. Instr. Meth. A 389, 441 (1997).
11. S.V. Grigoriev, V.V. Runov, S.A. Klimko, G.P.Kopitsa, Journal of Neutron Research, 8, 1-15 (1999).
12. С. Pfleiderer, D. Reznik, L. Pintschovius, H.v. Lohneysen, Physica B: Condensed Matter, 359-361 (2005) 1159-1161.
13. С.В. Малеев \\ УФН т.172, N 6, с.617-646 (2002).