shopkeeper/korean_wiki_content_only_120125 huggingface dataset:
결혼이주 여성 정책과 관련하여 그는 2000년대 중반 공사 시절부터 국제결혼 중개 관행의 문제점과 일부 가정에서 발생하는 폭력 사건을 지적하고, 피해를 입은 베트남인 배우자가 즉시 대사관과 연락해 법적·외교적 지원을 받아야 한다고 강조하였다. 2016년 인터뷰에서는 재한 베트남인 규모를 약 14만 2천 명으로 제시하며, 결혼이주자·노동자·유학생이 주요 구성원이라고 설명하였다. 그는 일부 결혼이주 여성의 비극적 사례가 여전히 존재한다는 점을 지적하면서도, 다문화 가정에 대한 한국 정부의 제도 개선으로 다수의 가정이 이전보다 안정된 생활을 누리고 있다고 평가하였다.
다자외교와 해양 안보 관점.
팜흐우찌는 동아시아 해양안보와 남중국해(베트남어: Biển Đông) 문제를 다루는 국제 학술회의와 토론회에 적극 참여하였다. 2015년 한국에서 열린 남중국해 분쟁의 평화적 해결 방안을 주제로 한 국제회의에서 그는 한국 학계와 시민단체가 주도한 행사가 역내 평화·항행의 자유·국제법 존중을 촉진하는 실질적 기여라고 평가하였다. 그는 남중국해에서의 긴장이 역내 및 세계의 평화·해상 안전·항행의 자유를 위협할 수 있다고 지적하면서, 당사국들이 국제법과 유엔해양법협약(UNCLOS)을 존중하는 평화적 해결 방안을 모색해야 한다는 입장을 밝혔다.
같은 해 베트남의 섬·해양 활동에 대한 사진 전시회에서 그는 한국 사회가 베트남의 해양 주권을 지지해 온 점에 감사의 뜻을 전하고, 학계·언론·시민사회의 연대가 국제 여론 형성에 중요한 역할을 한다고 언급하였다.
발언과 정책적 입장.
팜흐우찌의 공개 발언은 한·베 관계를 "상호 보완적 경제 구조와 유사한 역사 경험을 가진 두 나라 사이의 장기 파트너십"으로 보는 시각을 보여 준다. 그는 한국을 대(對)베트남 최대 투자국이자 주요 공여국, 기술 협력 파트너로 평가하면서, 제조업·인프라·서비스뿐 아니라 창조산업·스타트업 생태계에서의 협력을 앞으로의 주요 과제로 제시하였다. 아울러 재한 베트남인의 권익 보호와 사회통합, 다문화가정 지원을 외교정책의 필수 요소로 보며, 외교·노동·사법 당국이 협력해 인권과 법적 보호를 강화해야 한다는 입장을 반복적으로 밝혔다.
남중국해 문제에 관해서는 국제법과 평화적 수단을 통한 분쟁 해결 원칙을 강조하고, 역외 국가와 학계·시민사회의 참여를 통해 국제 여론을 형성하는 것이 중요하다고 보았다. 베트남 혁명과 호찌민 사상 관련 학술행사에서는 호찌민의 외교 철학을 "불변을 바탕으로 만변에 대응하는" 실용적 원칙으로 해석하며, 한국 학계의 연구 성과가 베트남 현대사 이해를 심화시킨다고 평가하였다.
위상장 모델(phase-field model)은 계면 문제를 해결하기 위한 수학적 모델이다. 주로 응고 역학에 적용되어 왔지만, 점성 손가락화와 같은 다른 상황에도 적용되었다. 파괴 역학, 수소취성화, 및 소포 (세포) 역학에 적용되었다.
이 방법은 보조 필드(위상장)의 진화를 위한 편미분 방정식을 통해 계면의 경계 조건을 대체하며, 이 보조 필드는 질서 매개변수의 역할을 한다. 이 위상장은 각 상에서 두 가지 뚜렷한 값(예: +1 및 −1)을 가지며, 계면 주변 영역에서 두 값 사이의 부드러운 변화가 있어 유한한 너비를 가진 확산 상태를 이룬다. 계면의 이산 위치는 위상장이 특정 값(예: 0)을 취하는 모든 점들의 집합으로 정의될 수 있다.
위상장 모델은 일반적으로 무한소 계면 너비(소위 날카로운 계면 한계)에서 올바른 계면 역학이 복원되는 방식으로 구성된다. 이 접근법은 전체 시스템에 대한 편미분 방정식 세트를 통합하여 문제를 해결할 수 있게 해주므로, 계면에서의 경계 조건을 명시적으로 처리하는 것을 피할 수 있다.
위상장 모델은 픽스(Fix)와 랭거(Langer)에 의해 처음 소개되었으며, 응고 및 다른 분야에서 점차 관심이 커지고 있다. 랭거는 케인-힐리어드 방정식과 앨런-케인 방정식을 결합하여 결빙 문제를 해결할 수 있음을 보여주는 손글씨 노트를 가지고 있었다. 조지 픽스(George Fix)는 프로그래밍 문제에 대해 연구했다. 당시 랭거는 이 방법이 계면 두께가 일반적인 미세 구조의 크기에 비해 너무 작기 때문에 실용적인 용도가 없다고 생각하여 출판하지 않았다.
위상장 모델의 방정식.
위상장 모델은 일반적으로 주어진 계면 역학을 재현하기 위해 구성된다. 예를 들어, 응고 문제에서 전면 역학은 물질의 농도 또는 온도를 위한 확산 방정식과 계면에서의 일부 경계 조건(국소 평형 조건 및 보존 법칙)에 의해 주어진다. 이는 날카로운 계면 모델을 구성한다.
위상장 모델의 여러 공식은 질서 매개변수(위상장)와 확산 필드에 의존하는 열역학적 자유 에너지 함수(변분 공식)를 기반으로 한다. 그런 다음 모델의 방정식은 통계물리학의 일반적인 관계를 사용하여 얻어진다. 이러한 함수는 물리적 고려 사항에서 구성되지만, 계면 너비와 관련된 매개변수 또는 매개변수 조합을 포함한다. 그런 다음 모델의 매개변수는 이 너비가 0으로 가는 모델의 한계를 연구하여 선택되며, 이 한계를 의도된 날카로운 계면 모델과 동일시할 수 있는 방식으로 선택된다.
다른 공식은 열역학적 함수(비변분 공식)를 참조하지 않고 상장 방정식을 직접 작성하는 것으로 시작한다. 이 경우 유일한 참조는 날카로운 계면 모델인데, 이는 위상장 모델의 작은 계면 너비 한계를 수행할 때 복원되어야 한다는 의미이다.
상장 방정식은 원칙적으로 계면 너비가 문제에서 가장 작은 길이 스케일에 비해 작을 때 계면 역학을 재현한다. 응고에서 이 스케일은 모세관 길이 formula_1로, 미시적 스케일이다. 계산적 관점에서 이러한 작은 스케일을 해결하는 편미분 방정식의 통합은 엄청나게 어렵다. 그러나 카르마(Karma)와 라펠(Rappel)은 얇은 계면 한계를 도입하여 이 조건을 완화하고 위상장 모델을 사용한 실용적인 정량 시뮬레이션의 길을 열었다.
컴퓨터 성능의 향상과 위상장 모델링의 이론적 진보로 위상장 모델은 계면 문제의 수치 시뮬레이션을 위한 유용한 도구가 되었다.
변분 공식.
위상장 모델은 시스템의 열역학적 자유 에너지에 대한 명시적 표현이 있다면 물리적 인수를 통해 구성할 수 있다. 응고 문제의 간단한 예는 다음과 같다.
여기서 formula_3는 위상장이고, formula_4이며, formula_5는 단위 부피당 국소 엔탈피이고, formula_6는 formula_3의 특정 다항식 함수이며, formula_8 (여기서 formula_9은 잠열이고, formula_10은 녹는점이며, formula_11는 비열이다)이다. formula_12 항은 계면 에너지에 해당한다. 함수 formula_13는 일반적으로 각 상의 벌크의 자유 에너지 밀도를 나타내는 이중 우물 전위로 취해지며, 이들은 formula_13 함수의 두 최소값에 해당한다. 상수 formula_15와 formula_16는 각각 단위 길이당 에너지와 단위 부피당 에너지의 차원을 가진다. 계면 너비는 formula_17로 주어진다.
위상장 모델은 다음 변분 관계에서 얻을 수 있다.
여기서 D는 변수 formula_5에 대한 확산 계수이고, formula_21와 formula_22는 열 요동을 설명하는 확률론적 항(그리고 그 통계적 특성은 요동-소산 정리로부터 얻을 수 있다)이다. 첫 번째 방정식은 위상장의 진화에 대한 방정식을 제공하는 반면, 두 번째 방정식은 확산 방정식으로, 일반적으로 온도 또는 농도(합금의 경우)에 대해 다시 작성된다. 이러한 방정식은 공간을 formula_23로, 시간을 formula_24로 스케일링하면 다음과 같다.
여기서 formula_27은 무차원 계면 너비이고, formula_28이며, formula_29, formula_30는 무차원화된 노이즈이다.
대체 에너지 밀도 함수.
자유 에너지 함수 formula_13의 선택은 계면의 물리적 행동에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 신중하게 선택해야 한다. 이중 우물 함수는 임계점 근처의 반데르발스 상태 방정식의 근사치를 나타내며, 위상장 모델이 계면 추적 목적으로만 사용될 때 구현의 단순성 때문에 역사적으로 사용되어 왔다. 그러나 이는 흔히 관찰되는 자발적인 방울 수축 현상을 초래했는데, 임계점 근처의 상태 방정식에 의해 예측되는 높은 상 혼합성으로 인해 상 간의 상당한 상호 침투가 허용되고 결국 특정 임계값보다 작은 반지름을 가진 방울이 완전히 사라질 수 있다. 시뮬레이션 기간 동안 인지되는 연속성 손실을 최소화하려면 이동도 매개변수에 대한 제한이 필요하며, 이는 대류로 인한 계면 번짐, 자유 에너지 최소화로 인한 계면 재구성(즉, 이동도 기반 확산) 및 상 상호 침투(또한 이동도에 따라 달라짐) 사이의 미묘한 균형을 초래한다. 계면 추적 응용 프로그램을 위한 대체 에너지 밀도 함수에 대한 최근 검토에서는 자발적인 방울 수축 현상 및 이동도 제한을 피하는 수정된 형태의 이중 장애 함수를 제안했으며, 이중 우물 함수 및 부피 유체 방법 날카로운 계면 기술을 사용한 여러 벤치마크 시뮬레이션에 대한 비교 결과가 제공된다. 제안된 구현은 이중 우물 함수보다 계산 복잡성이 약간 더 클 뿐이며, 시뮬레이션된 현상의 기간/특성이 상 연속성 문제(즉, 작은 방울, 확장된 시뮬레이션, 다중 계면 등)를 야기하는 위상장 모델의 계면 추적 응용 프로그램에 유용할 수 있다.
상장 방정식의 날카로운 계면 한계.
위상장 모델은 날카로운 계면 모델로 표현되는 주어진 계면 역학을 의도적으로 재현하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우 제안된 상장 방정식 세트의 날카로운 계면 한계(즉, 계면 너비가 0으로 갈 때의 한계)를 수행해야 한다. 이 한계는 일반적으로 계면 너비 formula_32의 거듭제곱으로 모델 필드의 점근 확장을 통해 취해진다. 이러한 확장은 계면 영역(내부 확장)과 벌크(외부 확장) 모두에서 수행된 다음, 차수별로 점근적으로 일치시킨다. 그 결과 확산 필드에 대한 편미분 방정식과 계면에서의 일련의 경계 조건을 얻을 수 있으며, 이는 날카로운 계면 모델에 해당해야 하며, 이와의 비교를 통해 위상장 모델의 매개변수 값을 얻을 수 있다.
초기 위상장 모델에서는 이러한 확장이 formula_32의 낮은 차수까지만 수행되었지만, 최근 모델은 원치 않는 의사 효과를 제거하거나 모델에 새로운 물리학을 포함하기 위해 고차 점근(얇은 계면 한계)을 사용한다. 예를 들어, 이 기술은 운동 효과를 제거하고, 상에서 확산도가 같지 않은 경우를 처리하고, 점성 손가락화 및 이중상 나비에-스토크스 흐름을 모델링하고, 모델에 요동을 포함하는 등에 활용되었다.
다중 위상장 모델.
다중 위상장 모델에서는 미세 구조가 질서 매개변수 세트로 설명되며, 각 매개변수는 특정 상 또는 결정학적 방향과 관련이 있다. 이 모델은 여러 결정립이 진화하는 고체상 변태(예: 결정립 성장, 재결정화 또는 철 합금의 오스테나이트에서 페라이트로의 1차 변태)에 주로 사용된다. 미세 구조 내의 여러 결정립을 설명할 수 있을 뿐만 아니라, 다중 위상장 모델은 특히 기술 합금 등급에서 발생하는 여러 열역학적 상을 고려할 수 있게 한다.
그래프 기반 위상장 모델.
연속체 위상장 모델의 많은 결과는 그래프에 대한 미적분을 유한 가중 그래프에서의 미적분으로 대체하면 그래프에 대한 이산적 유사성을 가진다.
파괴 역학에서의 위상장 모델링.
고체에서의 파괴는 종종 이산 또는 확산 균열 표현을 사용하여 유한 요소 맥락에서 수치적으로 분석된다. 유한 요소 표현을 사용하는 접근법은 종종 요소 내 수준에 내장된 강한 불연속성을 사용하며, 균열 경로를 결정하기 위해 응력, 변형 에너지 밀도 또는 에너지 해방률과 같은 추가 기준이나 가상 균열 폐쇄 기술 및 재메시와 같은 특수 처리가 필요하다. 대조적으로, 확산 균열 표현을 사용하는 접근법은 연속체 손상 모델 및 상장 파괴 이론과 같이 변위장의 연속성을 유지한다. 후자는 그리피스(Griffith) 원리를 변분 형식으로 재구성한 것으로 거슬러 올라가며, 기울기 강화 손상 유형 모델과 유사성을 가진다. 아마도 파괴에 대한 상장 접근법의 가장 매력적인 특징은 균열 시작 및 균열 경로가 탄성 및 파괴 에너지를 결합하는 최소화 문제에서 자동으로 얻어진다는 것이다. 많은 상황에서 균열 핵생성은 탄성 해법과 관련된 임계점 가지를 따라가다가 불안정성을 잃을 때까지 적절하게 설명될 수 있다. 특히, 파괴의 위상장 모델은 탄성 변형 에너지 밀도가 공간적으로 일정할 때도 핵생성을 허용할 수 있다.
이 접근법의 한계는 핵생성이 응력이 아닌 변형 에너지 밀도에 기반한다는 것이다. 핵생성 구동력을 도입하는 대안적인 관점은 이 문제를 해결하고자 한다.
집단 세포 이동에서의 위상장 모델.
생물학적 세포 그룹은 아데노신 삼인산 소비로 인해 복잡한 방식으로 자체 추진할 수 있다. 응집력 또는 여러 화학주성 물질과 같은 세포 간 상호작용은 조정된 방식으로 움직임을 생성할 수 있으며, 이 현상을 "집단 세포 이동"이라고 한다. 이러한 현상에 대한 이론적 모델은 위상장 모델이며, 각 세포 종에 대한 위상장과 화학주성 인자 농도와 같은 추가 필드 변수를 통합한다. 이러한 모델은 암, 세포 압출, 상처 치유, 형태형성 및 세포 외피 현상과 같은 현상에 사용될 수 있다.
러더퍼드 후방 산란 분광법(Rutherford backscattering spectrometry, RBS)은 재료과학에서 사용되는 분석 기술이다. 고에너지 이온 산란(HEIS) 분광법이라고도 불리는 RBS는 시료에 충돌하는 고에너지 이온(일반적으로 양성자 또는 알파 입자) 빔의 후방 산란을 측정하여 재료의 구조와 구성을 결정하는 데 사용된다.
가이거-마스든 실험.
러더퍼드 후방 산란 분광법은 때때로 핵물리학의 아버지로 불리는 물리학자 어니스트 러더퍼드 경의 이름을 따서 명명되었다. 러더퍼드는 1909년에서 1914년 사이에 한스 가이거와 어니스트 마스든이 금속박을 통과하는 알파 입자의 산란을 연구하는 일련의 실험을 감독했다. 그들은 알파선 원천의 불완전함으로 인해 발생했다고 믿었던 "방랑 입자"를 제거하려던 중, 러더퍼드는 마스든에게 금박 시료에서 후방 산란을 측정해 보라고 제안했다. 당시 지배적이었던 원자의 톰슨 원자 모형에 따르면, 작은 음전자를 확산된 양전하 영역에 퍼뜨린 형태에서는 고에너지 양전하 알파 입자의 후방 산란은 존재하지 않아야 했다. 기껏해야 알파 입자가 박을 거의 방해받지 않고 통과하면서 작은 편향이 발생해야 했다. 그러나 마스든이 검출기를 알파 입자 원천과 같은 쪽에 놓았을 때, 그는 즉시 눈에 띄는 후방 산란 신호를 감지했다. 러더퍼드에 따르면, "그것은 내 생애에서 일어났던 가장 믿을 수 없는 사건이었다. 그것은 마치 당신이 15인치 포탄을 휴지 조각에 발사했는데 그것이 되돌아와 당신을 때린 것만큼이나 믿을 수 없는 일이었다"라고 말했다.
러더퍼드는 가이거-마스든 실험의 결과를 단일의 거대한 양성 입자와의 쿨롱 충돌의 징후로 해석했다. 이로 인해 그는 원자의 양전하가 확산될 수 없으며 대신 단일의 거대한 핵, 즉 원자핵에 집중되어야 한다는 결론을 내렸다. 계산에 따르면 이러한 편향을 일으키는 데 필요한 전하는 전자의 약 100배였으며, 이는 금의 원자 번호에 가까웠다. 이는 N개의 양전하 입자(전하 +e) 또는 양성자로 구성된 양성 핵이 핵 전하를 상쇄하기 위해 N개의 전하 -e 전자가 궤도를 도는 러더퍼드 원자 모형의 개발로 이어졌다. 이 모형은 결국 양자역학의 초기 결과 중 일부를 통합한 보어 원자에 의해 대체되었다.
입사 입자의 에너지가 충분히 증가하면 쿨롱 장벽이 초과되고 입사 입자와 충돌한 입자의 파동 함수가 중첩된다. 이는 특정 경우에 핵 반응을 초래할 수 있지만, 산란 단면적이 에너지 함수에 따라 크게 요동하고 더 이상 분석적으로 계산할 수 없더라도 상호 작용은 종종 탄성으로 유지된다. 이 경우를 "탄성 (비러더퍼드) 후방 산란 분광법" (EBS)이라고 한다. 최근 각 상호 작용에 대해 슈뢰딩거 방정식을 풀어 EBS 산란 단면적을 결정하는 데 큰 진전이 있었다. 그러나 경원소를 포함하는 매트릭스의 EBS 분석의 경우, 실험적으로 측정된 산란 단면적 데이터를 활용하는 것도 매우 신뢰할 수 있는 옵션으로 간주된다.
우리는 러더퍼드 후방 산란을 입사 빔의 높은 운동 에너지를 가진 입자(발사체)와 시료에 위치한 정지 입자(표적) 사이의 탄성, 강구 충돌로 설명한다. 여기서 '탄성'이란 충돌 중 입사 입자나 정지 입자의 내부 상태에 에너지가 흡수되지 않으며, 입사 입자의 에너지 손실은 오직 "정지" 입자의 (보통 작은) 반동에 의해서만 발생한다는 것을 의미한다. 핵 상호작용은 일반적으로 탄성이 아니다. 왜냐하면 충돌이 상당한 양의 에너지 방출과 함께 핵 반응을 초래할 수 있기 때문이다. 핵 반응 분석 (NRA)은 경원소 검출에 유용하다. 그러나 이것은 러더퍼드 산란이 아니다.
충돌의 운동학 (즉, 운동량 및 운동 에너지 보존)을 고려하면, 산란된 발사체의 에너지 E1은 초기 에너지 E0에서 감소한다.
여기서 k는 운동학적 계수(kinematical factor)라고 하며,
여기서 입자 1은 발사체, 입자 2는 표적 핵이며, formula_3은 실험실 기준틀 (즉, 관찰자에 상대적인)에서의 발사체 산란 각도이다. 발사체 질량이 표적 질량보다 작을 때는 플러스 부호가, 그렇지 않을 때는 마이너스 부호가 사용된다.
이 방정식은 특정 산란 각도(관찰자에 상대적)에 대한 산란된 발사체의 에너지를 정확하게 결정하지만, 그러한 사건을 관찰할 확률은 설명하지 않는다. 이를 위해서는 후방 산란 사건의 미분 단면적이 필요하다.
여기서 formula_5과 formula_6는 입사 핵과 표적 핵의 원자 번호이다. 이 방정식은 질량 중심 기준틀로 작성되었으므로 발사체나 표적 핵의 질량 함수가 아니다.
실험실 기준틀에서의 산란 각도 formula_3은 질량 중심 기준틀에서의 산란 각도 formula_8와 같지 않다 (비록 RBS 실험에서는 보통 매우 유사하지만). 그러나 무거운 이온 발사체는 가벼운 이온을 쉽게 반동시킬 수 있으며, 기하학적 구조가 올바르면 표적에서 방출되어 검출될 수 있다. 이것이 탄성반도측정법 (ERD, 동의어 ERDA, FRS, HFS) 기술의 기본이다. RBS는 종종 H를 쉽게 반동시키는 He 빔을 사용하므로, 시료의 수소 동위원소 함량을 조사하기 위해 동시 RBS/ERD가 자주 수행된다 (1 MeV 이상의 He 빔을 사용한 H ERD는 러더퍼드 산란이 아니다: http://www-nds.iaea.org/sigmacalc 참조). ERD의 경우 실험실 기준틀에서의 산란 각도는 질량 중심 기준틀에서의 산란 각도와 상당히 다르다.
무거운 이온은 가벼운 이온으로부터 후방 산란될 수 없다. 이것은 운동학적으로 금지되어 있다. 운동학적 계수는 실수가 되어야 하며, 이는 실험실 기준틀에서 허용되는 산란 각도를 제한한다. ERD에서는 산란된 빔으로부터의 신호를 금지할 만큼 충분히 큰 반동 각도에 반동 검출기를 배치하는 것이 종종 편리하다. 산란된 이온 강도는 항상 반동 강도에 비해 매우 크며 (러더퍼드 산란 단면적 공식은 산란 각도가 0으로 갈수록 무한대로 간다), ERD의 경우 산란된 빔은 일반적으로 측정에서 어떤 식으로든 제외되어야 한다.
러더퍼드 산란 단면적 공식의 특이점은 물론 비물리적이다. 만약 산란 단면적이 0이라면 발사체가 표적에 전혀 가까이 가지 않는다는 것을 의미하지만, 이 경우 핵을 둘러싼 전자 구름을 관통하지도 않는다. 위에서 보여준 산란 단면적에 대한 순수한 쿨롱 공식은 가림 효과에 대해 보정되어야 한다. 이 가림 효과는 발사체의 에너지가 감소할수록 (또는 동등하게 질량이 증가할수록) 더욱 중요해진다.
큰 각도 산란은 표적 핵에서 산란되는 이온에 대해서만 발생하는 반면, 비탄성 작은 각도 산란은 시료 전자에서도 발생할 수 있다. 이는 입사 이온이 시료로 침투하면서 운동 에너지가 점진적으로 감소하게 하여, 내부 핵에서 후방 산란이 더 낮은 "유효" 입사 에너지로 발생하도록 한다. 마찬가지로 후방 산란된 이온은 시료를 빠져나올 때 전자에 에너지를 잃는다. 이온 에너지가 주어진 거리를 통과한 후 낮아지는 정도를 물질의 저지능이라고 하며 전자 분포에 따라 달라진다. 이 에너지 손실은 이동 거리에 따라 지속적으로 변하므로, 저지능은 다음과 같이 표현된다.
고에너지 이온의 경우 저지능은 일반적으로 formula_10에 비례한다. 그러나 저지능의 정확한 계산은 어떤 정확도로도 수행하기 어렵다.
저지능(정확히는 저지력)의 단위는 단위 길이당 에너지이다. 이는 일반적으로 박막 단위로 주어지는데, 즉 eV/(원자/cm2)이다. 박막 두께가 항상 질량/단위 면적(density per unit area)으로 절대적으로 측정되어 두께에 따라 달라질 수 있는 재료 밀도 결정 문제를 피하기 때문에 실험적으로 박막에서 측정되기 때문이다. 저지능은 이제 약 2% 오차로 모든 재료에 대해 알려져 있다. http://www.srim.org를 참조하라.
RBS 장비는 일반적으로 세 가지 필수 구성 요소를 포함한다.
상용 RBS 시스템에는 일반적으로 두 가지 일반적인 소스/가속 배열이 사용되며, 1단계 또는 2단계로 작동한다. 1단계 시스템은 이온 소스에 높은 양의 전위가 인가되고 가속 튜브 끝에 접지가 있는 가속 튜브에 연결된 He+ 소스로 구성된다. 이 배열은 간단하고 편리하지만, 시스템에 매우 높은 전압을 인가하는 데 어려움이 있어 1 MeV 이상의 에너지를 달성하기 어려울 수 있다.
2단계 시스템, 즉 "탠덤 가속기"는 He− 이온 소스로 시작하여 가속 튜브 중앙에 양극 단자를 배치한다. 양극 단자에 포함된 스트리퍼 요소는 통과하는 이온에서 전자를 제거하여 He− 이온을 He++ 이온으로 변환한다. 이온은 단자에 끌려 시작하여 통과하면서 양전하를 띠고, 접지에서 튜브를 나올 때까지 반발된다. 이 배열은 더 복잡하지만, 더 낮은 인가 전압으로 더 높은 가속을 달성할 수 있다는 장점이 있다. 인가 전압이 750 kV인 일반적인 탠덤 가속기는 2 MeV 이상의 이온 에너지를 달성할 수 있다.
후방 산란 에너지를 측정하는 검출기는 일반적으로 규소 표면 장벽 검출기이며, N형 반도체 기판 위에 매우 얇은 층(100 nm)의 P형 반도체 규소가 p-n 접합을 형성한다. 검출기에 도달하는 이온은 전자와의 비탄성 산란으로 에너지를 일부 잃고, 이 전자 중 일부는 반도체 원자가띠와 전도띠 사이의 띠틈을 극복하기에 충분한 에너지를 얻는다. 이는 검출기에 입사하는 각 이온이 이온 에너지에 따라 달라지는 수의 전자-정공 쌍을 생성한다는 것을 의미한다. 이 쌍은 검출기에 전압을 인가하고 전류를 측정하여 검출할 수 있으며, 이온 에너지의 효과적인 측정을 제공한다. 이온 에너지와 생성된 전자-정공 쌍 수 사이의 관계는 검출기 재료, 이온 유형 및 전류 측정 효율에 따라 달라진다. 에너지 분해능은 열 변동에 따라 달라진다. 하나의 이온이 검출기에 입사한 후, 전자-정공 쌍이 재결합하는 데 데드 타임이 있어 두 번째 입사 이온을 첫 번째 이온과 구별할 수 없다.
검출기의 각도 의존성은 이동식 검출기를 사용하거나, 보다 실용적으로는 표면 장벽 검출기를 여러 독립적인 셀로 분리하여 직접(180도) 후방 산란 주위의 특정 각도 범위를 독립적으로 측정함으로써 달성할 수 있다. 입사 빔의 각도 의존성은 기울일 수 있는 시료 스테이지를 사용하여 제어된다.
구성 및 깊이 측정.
후방 산란 이온의 에너지 손실은 두 가지 과정에 따라 달라진다. 하나는 시료 핵과의 산란 이벤트에서 손실되는 에너지이고, 다른 하나는 시료 전자와의 작은 각도 산란에서 손실되는 에너지이다. 첫 번째 과정은 핵의 산란 단면적에 따라 달라지며, 따라서 핵의 질량과 원자 번호에 따라 달라진다. 특정 측정 각도에서 두 개의 다른 원소의 핵은 입사 이온을 다른 정도로, 다른 에너지로 산란시켜 측정 카운트 대 에너지의 N(E) 플롯에서 별개의 피크를 생성한다. 이 피크는 재료에 포함된 원소의 특징이며, 산란 에너지를 알려진 산란 단면적과 일치시켜 시료의 구성을 분석하는 수단을 제공한다. 상대 농도는 피크의 높이를 측정하여 결정할 수 있다.
두 번째 에너지 손실 과정인 시료 전자의 저지능은 핵 충돌로 인해 발생하는 것과 같은 크고 이산적인 손실을 초래하지 않는다. 대신 전자 밀도와 시료 내 이동 거리에 따라 점진적인 에너지 손실을 발생시킨다. 이 에너지 손실은 시료 내 핵에서 후방 산란되는 이온의 측정 에너지를 핵의 깊이에 따라 연속적으로 낮춘다. 그 결과 N(E) 플롯에서 예상되는 날카로운 후방 산란 피크(폭은 에너지 및 각도 분해능에 의해 결정됨) 대신, 이온이 해당 원소가 차지하는 깊이를 통과함에 따라 낮은 에너지 쪽으로 점진적으로 감소하는 피크가 관찰된다. 시료 내 특정 깊이에서만 나타나는 원소는 이온이 해당 핵에 도달하기 위해 이동해야 했던 거리를 나타내는 양만큼 피크 위치가 이동한다.
따라서 실제로는 RBS N(E) 측정으로부터 구성 깊이 프로파일을 결정할 수 있다. 시료에 포함된 원소는 에너지 스펙트럼에서 피크의 위치로부터 결정할 수 있다. 깊이는 이 피크의 폭과 이동된 위치로부터 결정할 수 있으며, 상대 농도는 피크 높이로부터 결정할 수 있다. 이는 예를 들어 다층 시료의 분석이나 깊이에 따라 구성이 더 연속적으로 변하는 시료의 분석에 특히 유용하다.
이러한 종류의 측정은 원소 구성만을 결정하는 데 사용될 수 있다. 시료의 화학적 구조는 N(E) 프로파일로부터 결정할 수 없다. 그러나 결정 구조를 조사함으로써 RBS를 통해 이에 대한 일부 정보를 얻을 수 있다. 이러한 종류의 공간 정보는 차폐 및 채널링을 활용하여 조사할 수 있다.
구조적 측정: 차폐 및 채널링.
입사하는 핵 빔과 결정 구조의 상호 작용을 완전히 이해하려면 두 가지 핵심 개념, 즉 차폐와 채널링을 이해해야 한다.
평행한 궤적을 가진 이온 빔이 표적 원자에 입사할 때, 그 원자로부터의 산란은 빔에 대해 표적 "뒤"의 원뿔형 영역에서 충돌을 방지한다. 이는 표적 원자의 반발 퍼텐셜이 근접한 이온 궤적을 원래 경로에서 벗어나게 하기 때문에 발생하며, 이를 차폐(blocking)라고 한다. 원래 원자로부터 거리 L에서 이 차폐된 영역의 반경은 다음과 같이 주어진다.
이온이 시료 깊숙한 곳에서 산란될 때, 두 번째 원자에서 다시 산란될 수 있으며, 산란된 궤적 방향으로 두 번째 차단된 원뿔을 생성한다. 이는 입사 각도에 대해 검출 각도를 신중하게 변경함으로써 검출될 수 있다.
채널링은 입사 빔이 결정의 주요 대칭축과 정렬될 때 관찰된다. 표면 원자와의 충돌을 피하는 입사 핵은 첫 번째 원자층에 의한 차단으로 인해 시료 깊숙한 곳의 모든 원자와의 충돌에서 제외된다. 원자 간 거리가 차단된 원뿔의 반경에 비해 클 때, 입사 이온은 후방 산란되지 않고 원자 간 거리의 여러 배를 침투할 수 있다. 이는 입사 빔이 대칭 방향 중 하나를 따라 정렬될 때 관찰되는 후방 산란 신호가 크게 감소하는 결과를 가져올 수 있으며, 시료의 규칙적인 결정 구조를 결정할 수 있게 한다. 채널링은 매우 작은 차단 반경, 즉 He+와 같은 고에너지, 낮은 원자 번호 입사 이온에 대해 가장 잘 작동한다.
대칭 방향에 대한 이온 빔 입사 각도의 편차 허용 오차는 차폐 반경에 따라 달라지며, 허용 편차 각도는 다음에 비례한다.
빔이 채널링될 때 RBS 피크의 강도가 대부분의 너비에 걸쳐 감소하는 것이 관찰되지만, 더 큰 피크의 고에너지 끝에서 좁은 피크가 종종 관찰되며, 이는 첫 번째 원자층에서 표면 산란을 나타낸다. 이 피크의 존재는 RBS 측정에 대한 표면 민감도 가능성을 열어준다.
변위된 원자의 프로파일링.
또한, 이온의 채널링은 결정질 시료의 격자 손상을 분석하는 데에도 사용될 수 있다. 표적 내 원자가 결정 격자 위치에서 변위되면, 완전한 결정에 비해 더 높은 후방 산란 수율이 발생한다. 분석 중인 시료의 스펙트럼을 완전한 결정의 스펙트럼과 무작위(채널링이 없는) 방향(비정질 시료의 스펙트럼을 대표함)에서 얻은 스펙트럼과 비교함으로써, 변위된 원자의 비율 측면에서 결정 손상의 정도를 결정할 수 있다. 이 비율을 비정질 상태일 때의 재료 밀도로 곱하면 변위된 원자의 농도에 대한 추정치도 얻을 수 있다. 증가된 후방 산란이 발생하는 에너지는 변위된 원자가 있는 깊이를 결정하는 데에도 사용될 수 있으며, 그 결과 결함 깊이 프로파일을 구축할 수 있다.
RBS는 일반적으로 시료의 전체 조성 및 구조를 측정하는 데 사용되지만, 시료 표면의 구조 및 조성에 대한 일부 정보를 얻을 수 있다. 전체 신호를 제거하기 위해 신호가 채널링될 때, 입사 및 검출 각도를 신중하게 조작하여 차폐 효과를 활용하여 처음 몇 개의 원자층의 상대 위치를 결정할 수 있다.
시료의 표면 구조는 여러 가지 방식으로 이상적인 상태와 달라질 수 있다. 첫 번째 원자층은 다음 층과의 거리가 변경될 수 있고(완화), 전체와 다른 2차원 구조를 가질 수 있으며(재구성), 또는 다른 물질이 표면에 흡착될 수 있다. 이러한 각 경우는 RBS로 검출될 수 있다. 예를 들어, 표면 재구성은 채널링이 발생해야 하는 방식으로 빔을 정렬하여 알려진 강도의 표면 피크만 검출되도록 함으로써 검출할 수 있다. 평소보다 높은 강도 또는 넓은 피크는 첫 번째 원자층이 아래 층을 차폐하는 데 실패하고 있음을 나타낸다. 즉, 표면이 재구성되었음을 나타낸다. 완화는 유사한 절차로 시료를 기울여 이온 빔이 첫 번째 층 원자가 대각선으로 후방 산란을 차폐해야 하는 각도로 입사하도록 선택함으로써 검출할 수 있다. 즉, 차폐 원자 아래에 있고 변위된 원자로부터의 후방 산란을 의미한다. 예상보다 높은 후방 산란 수율은 첫 번째 층이 두 번째 층에 대해 변위되거나 완화되었음을 나타낸다. 흡착 물질은 다른 구성에 의해 검출되어 예상 위치에 비해 표면 피크의 위치를 변경한다.
RBS는 또한 채널링된 표면 피크의 변화를 분석하여 벌크와는 다르게 표면에 영향을 미치는 과정을 측정하는 데 사용되었다. 이에 대한 잘 알려진 예는 Frenken, Maree, van der Veen에 의한 납 표면의 예비 용융 RBS 분석이다. Pb(110) 표면의 RBS 측정에서 저온에서 안정적인 잘 정의된 표면 피크가 벌크 용융 온도의 3분의 2를 넘어서면서 온도가 증가함에 따라 더 넓고 강해지는 것이 발견되었다. 피크는 온도가 용융 온도에 도달했을 때 벌크 높이와 너비에 도달했다. 깊은 원자가 입사 빔에 보이게 하는 표면의 무질서 증가가 표면의 예비 용융으로 해석되었으며, RBS 과정의 컴퓨터 시뮬레이션은 이론적 예비 용융 예측과 비교했을 때 유사한 결과를 생성했다.
RBS는 또한 주사전자현미경과 유사한 방식으로 표면을 가로질러 초점 이온 빔을 스캔하는 핵 현미경과 결합되었다. 이러한 종류의 응용 분야에서 후방 산란 신호의 에너지 분석은 표면에 대한 구성 정보를 제공하는 반면, 마이크로프로브 자체는 주기적인 표면 구조와 같은 특징을 조사하는 데 사용될 수 있다.
중성자 회절(Neutron diffraction) 또는 탄성 중성자 산란은 재료의 원자 및 자기 구조를 결정하는 데 중성자 산란을 적용하는 것이다. 검사할 시료를 열 또는 냉 중성자선에 노출시켜 재료의 구조에 대한 정보를 제공하는 회절 패턴을 얻는다. 이 기술은 엑스선 회절과 유사하지만, 서로 다른 산란 특성으로 인해 중성자와 엑스선은 상호 보완적인 정보를 제공한다. 엑스선은 표면 분석에 적합하고, 싱크로트론 방사에서 나오는 강력한 엑스선은 얕은 깊이나 얇은 시료에 적합한 반면, 중성자는 높은 투과 깊이를 가지므로 벌크 시료에 적합하다.
1921년, 미국의 화학자이자 물리학자인 윌리엄 D. 하킨스는 원자 구조와 핵 반응을 연구하면서 "중성자"라는 용어를 도입했다. 그는 당시 실험적 증거는 없었지만 원자핵 내부에 중성 입자의 존재를 제안했다. 1932년, 영국의 물리학자 제임스 채드윅은 중성자의 존재를 실험적으로 증명했다. 그의 발견은 이 중성 아원자 입자의 존재를 확인했으며, 그는 1935년에 노벨 물리학상을 수상했다. 채드윅의 연구는 이전에 이렌과 프레데리크 졸리오퀴리의 연구에 영향을 받았는데, 이들은 설명되지 않은 중성 방사선을 감지했지만 이를 별개의 입자로 인식하지 못했다. 중성자는 양성자보다 질량이 크지만 전하가 없는 원자핵에 존재하는 아원자 입자이다.
1930년대에 엔리코 페르미와 동료들은 중성자 산란의 기초를 확립하는 이론적 기여를 했다. 페르미는 중성자가 원자핵과 상호 작용하는 방식을 이해하기 위한 프레임워크를 개발했다.
초기 회절 연구.
회절은 1936년에 폰 할반(von Halban)과 프라이스베르크(Preiswerk), 그리고 미첼(Mitchell)과 파워스(Powers) 두 그룹에 의해 처음 관찰되었다. 1944년, 아서 콤프턴 아래에서 엑스선 산란 박사 학위 연구 경험이 있던 어니스트 O. 월런은 새로 가동된 X-10 원자로의 열중성자를 결정학에 적용할 가능성을 인식했다. 클리포드 G. 셜과 합류하여 1940년대 내내 중성자 회절을 개발했다.
1945년에 어니스트 O. 월런은 오크리지의 흑연 원자로를 사용하여 중성자 회절 실험을 수행했다. 그는 곧이어 (1946년 6월) 클리포드 셜과 합류했으며, 그들은 함께 이 기술의 기본 원리를 확립하고 이를 많은 다른 재료에 성공적으로 적용하여 얼음의 구조 및 재료 내 자기 모멘트의 미세 배열과 같은 문제들을 해결했다. 이 업적으로 셜은 1994년 노벨 물리학상의 절반을 수상했다. (월런은 1984년에 사망했다.) (1994년 노벨 물리학상의 나머지 절반은 버트 브록하우스가 AECL의 초크 리버 시설에서 비탄성 산란 기술을 개발한 공로로 받았다. 여기에는 삼축 분광계의 발명도 포함된다.)
1950–60년대.
원자로 및 파쇄원과 같은 중성자원의 개발이 이루어졌다. 이는 고강도 중성자 빔을 가능하게 하여 고급 산란 실험을 수행할 수 있게 했다. 특히, 오크리지의 고플럭스 동위원소 원자로(HFIR)와 프랑스 그르노블의 라우에 랑주뱅 연구소(ILL)는 중성자 산란 연구의 핵심 기관으로 부상했다.
이 시기에는 재료 과학, 구조 및 거동의 다양한 측면을 탐구하기 위한 기술을 개발함으로써 중성자 산란 기술이 크게 발전했다.
소각 중성자 산란 (SANS): 재료의 대규모 구조적 특징을 조사하는 데 사용된다. 글래터(Glatter)와 크라트키(Kratky)의 연구는 이 방법의 발전에 기여했지만, 주로 엑스선을 위해 개발되었다.
비탄성 중성자 산란 (INS): 미시적 수준에서의 동적 과정에 대한 통찰력을 제공한다. 주로 원자 및 분자 운동을 조사하는 데 사용된다.
1990년-현재.
최근 발전은 향상된 소스, 정교한 탐지기 및 향상된 전산 기술에 중점을 둔다. 미국 SNS(스폴레이션 중성자원) 및 영국 ISIS 중성자 및 뮤온 소스에서 스폴레이션 소스가 개발되어 비행 시간 실험을 위한 펄스 중성자 빔을 생성할 수 있다. 또한 중성자 이미징 및 리플렉토메트리가 개발되었으며, 이는 표면, 계면 및 박막 구조를 분석하는 강력한 도구로 재료 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.
중성자는 핵분열, 파쇄, 저에너지 핵 반응의 세 가지 주요 과정을 통해 생성된다.
연구용 원자로에서 핵분열은 우라늄-235 (235U)와 같은 핵분열성 핵이 중성자를 흡수하여 두 개의 작은 조각으로 분열될 때 발생한다. 이 과정은 추가 중성자와 함께 에너지를 방출한다. 평균적으로 각 핵분열 이벤트는 약 2.5개의 중성자를 생성한다. 하나의 중성자는 연쇄반응을 유지하는 데 필요하지만, 여분의 중성자는 다양한 실험 응용에 활용될 수 있다.
파쇄.
파쇄원에서는 고에너지 양성자(약 1 GeV)가 중금속 표적(예: 우라늄(U), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 납(Pb), 또는 수은(Hg))을 충돌시킨다. 이 상호 작용으로 인해 핵이 중성자를 방출한다. 양성자 상호 작용은 이벤트당 약 10~30개의 중성자를 생성하며, 대부분은 "증발 중성자"(~2 MeV)로 알려져 있고, 소수는 최대 GeV 범위의 에너지를 가진 "캐스케이드 중성자"로 식별된다. 파쇄는 중성자 생산에 매우 효율적인 기술이지만, 고에너지 입자를 생성하므로 안전을 위해 차폐가 필요하다.
저에너지 핵 반응.
저에너지 핵 반응은 가속기 구동 소스에서 중성자 생산의 기초이다. 선택된 표적 재료는 에너지 준위에 따라 달라진다. 리튬(Li) 및 베릴륨(Be)과 같은 가벼운 금속은 30 MeV 미만에서 최대 가능한 반응 속도를 달성하는 데 사용될 수 있는 반면, 텅스텐(W) 및 탄소(C)와 같은 무거운 원소는 312 MeV 이상에서 더 나은 성능을 제공한다. 이러한 소형 가속기 구동 중성자원(CANS)은 성숙하여 이제 핵분열 및 파쇄원의 성능에 근접하고 있다.
중성자 산란은 중성자의 파동-입자 이중성에 의존한다. 드브로이 관계는 중성자의 파장 (λ)을 그 에너지 (E)와 연결한다.
여기서 h는 플랑크 상수, p는 중성자의 운동량, m은 중성자의 질량, v는 중성자의 속도이다.
중성자 산란은 원자 간 거리를 감지하고 재료의 동역학을 연구하는 데 사용된다. 이는 탄성 산란과 비탄성 산란이라는 두 가지 주요 원리를 포함한다.
탄성 산란은 중성자가 산란되는 각도를 관찰하여 재료의 구조적 특성에 대한 통찰력을 제공한다. 결과적으로 나타나는 산란 패턴은 결정, 액체 및 비정질 재료의 원자 구조에 대한 정보를 제공한다.
비탄성 산란은 상호 작용 중 중성자 에너지 및 운동량 변화 연구를 통해 재료 동역학에 중점을 둔다. 이는 고체 재료의 포논, 마그논 및 기타 여기를 연구하는 데 핵심이다.
중성자-물질 상호작용.
엑스선은 원자의 전자 구름과 상호작용함으로써 정전기적 상호작용을 통해 물질과 상호작용한다. 이는 전자에 의해 강하게 산란될 수 있기 때문에 그 적용을 제한한다. 중성자는 중성임에도 불구하고 주로 단거리 강한 힘을 통해 원자핵과 상호작용한다. 핵은 전자 구름보다 훨씬 작기 때문에 대부분의 물질은 중성자에 투명하며 더 깊이 침투할 수 있다. 중성자와 핵 사이의 상호작용은 페르미 유사퍼텐셜로 설명된다. 즉, 중성자는 중간자 질량 문턱값보다 훨씬 위에 있으므로 효과적으로 점 같은 산란자로 취급될 수 있다. 대부분의 원소는 중성자를 흡수하는 경향이 낮지만, 카드뮴(Cd), 가돌리늄(Gd), 헬륨(3He), 리튬(6Li), 붕소(10B)와 같은 특정 원소는 핵 공명 효과로 인해 강력한 중성자 흡수를 나타낸다. 흡수 가능성은 중성자 파장에 따라 증가한다(σa ∝ λ). 즉, 느린 중성자가 빠른 중성자보다 더 쉽게 흡수된다.
장비 및 시료 요구 사항.
이 기술은 중성자원을 필요로 한다. 중성자는 일반적으로 원자로 또는 파쇄원에서 생성된다. 연구용 원자로에서는 (열중성자의 경우) 결정 단색화 장치와 원하는 중성자 파장을 선택하기 위한 필터 등 다른 부품도 필요하다. 설정의 일부는 이동식일 수도 있다. 장파장 중성자의 경우 결정은 사용할 수 없고 대신 회절 광학 부품으로 격자를 사용한다. 파쇄원에서는 비행 시간 기술을 사용하여 입사 중성자의 에너지(에너지가 높은 중성자는 더 빠르다)를 분류하므로 단색화 장치가 필요 없지만, 원하는 파장의 중성자 펄스를 필터링하기 위해 일련의 조리개 요소가 동기화되어야 한다.
이 기술은 일반적으로 분말 회절로 수행되며, 이는 다결정 분말만 필요로 한다. 단결정 작업도 가능하지만, 결정은 단결정 엑스선결정학에 사용되는 것보다 훨씬 커야 한다. 약 1 mm3 크기의 결정을 사용하는 것이 일반적이다.
이 기술은 또한 산란된 중성자를 검출할 수 있는 장치를 필요로 한다.
요약하자면, 중성자 회절의 주요 단점은 원자로가 필요하다는 것이다. 단결정 작업의 경우, 이 기술은 비교적 큰 결정을 필요로 하며, 대부분의 재료에서는 큰 단결정을 얻기가 어렵거나 불가능하다. 그러나 미래의 발전은 이러한 상황을 바꿀 수도 있다. 이 기술의 장점은 많다. 가벼운 원자에 대한 감도, 동위 원소 구별 능력, 방사선 손상 부재, 그리고 수 센티미터의 침투 깊이를 들 수 있다.
핵 산란.
모든 양자 기본 입자와 마찬가지로, 중성자는 일반적으로 빛이나 소리와 관련된 파동 현상을 나타낼 수 있다. 회절은 이러한 현상 중 하나이다. 파동의 크기가 파장과 비슷한 장애물에 부딪힐 때 발생한다. 양자 입자의 파장이 충분히 짧으면 원자 또는 그 핵이 회절 장애물 역할을 할 수 있다. 원자로에서 나오는 중성자 빔이 속도에 따라 적절히 감속되고 선택되면, 그 파장은 고체 물질에서 원자 간의 전형적인 분리 거리인 1 옹스트롬 () 근처에 놓인다. 이러한 빔은 회절 실험을 수행하는 데 사용될 수 있다. 결정 시료에 부딪히면 엑스선 회절을 설명하는 것과 동일한 브래그 법칙에 따라 제한된 수의 잘 정의된 각도로 산란된다.
중성자와 엑스선은 물질과 다르게 상호 작용한다. 엑스선은 주로 각 원자를 둘러싼 전자 구름과 상호 작용한다. 따라서 회절된 엑스선 강도에 대한 기여는 원자 번호(Z)가 큰 원자일수록 커진다. 반면 중성자는 원자의 핵과 직접 상호 작용하며, 회절된 강도에 대한 기여는 각 동위 원소에 따라 달라진다. 예를 들어, 일반 수소와 중수소는 다르게 기여한다. 또한 가벼운 (낮은 Z) 원자가 큰 Z 원자가 존재하더라도 회절된 강도에 강하게 기여하는 경우가 많다. 산란 길이는 원자 번호에 선형적으로 비례하기보다는 동위 원소마다 다르다. 바나듐과 같은 원소는 엑스선을 강하게 산란시키지만, 그 핵은 중성자를 거의 산란시키지 않으므로 종종 용기 재료로 사용된다. 비자기 중성자 회절은 원자핵의 위치에 직접 민감하다.
중성자가 산란되는 원자핵은 아주 작다. 더욱이, 원자의 전자 구름 형태를 설명하기 위한 원자 형태 인자가 필요 없으며, 원자의 산란 능력은 엑스선과 같이 산란각에 따라 감소하지 않는다. 따라서 회절도는 특히 저온에서 실험이 수행될 경우 높은 각도에서도 강하고 잘 정의된 회절 피크를 보여줄 수 있다. 많은 중성자원은 액체 헬륨 냉각 시스템을 갖추고 있어 4.2 K까지의 온도에서 데이터를 수집할 수 있다. 뛰어난 고각(즉, 고해상도) 정보는 구조 내 원자 위치를 높은 정밀도로 결정할 수 있음을 의미한다. 반면에 중성자 데이터에서 파생된 푸리에 맵(Fourier map) (그리고 그보다 덜한 차이 푸리에 맵(difference Fourier map))은 시리즈 종료 오류로 인해 때로는 결과가 무의미할 정도로 심각하게 영향을 받는다.
자기 산란.
중성자는 전하를 띠지 않지만, 자기 모멘트를 가지고 있으므로 원자를 둘러싼 전자 구름에서 발생하는 자기 모멘트를 포함한 자기 모멘트와 상호 작용한다. 따라서 중성자 회절은 물질의 미시적 자기 구조를 밝힐 수 있다.
자기 산란은 작은 핵 주변의 훨씬 큰 전자 구름에 의해 발생하므로 원자 형태 인자가 필요하다. 따라서 회절 피크에 대한 자기 기여의 강도는 고각 쪽으로 감소한다.
중성자 회절은 기체, 액체 또는 비정질 고체의 정적 구조 인자를 결정하는 데 사용될 수 있다. 그러나 대부분의 실험은 결정질 고체의 구조를 목표로 하며, 중성자 회절을 결정학의 중요한 도구로 만든다.
중성자 회절은 엑스선 분말 회절과 밀접하게 관련되어 있다. 실제로 이 기술의 단결정 버전은 현재 사용 가능한 중성자원이 비교적 큰 시료를 필요로 하고 대부분의 재료에서 큰 단결정을 얻기가 어렵거나 불가능하기 때문에 덜 일반적으로 사용된다. 그러나 미래의 발전은 이러한 상황을 바꿀 수도 있다. 데이터가 일반적으로 1D 분말 회절도이기 때문에 주로 리트벨트 정밀화를 사용하여 처리된다. 실제로 후자는 중성자 회절(네덜란드 페텐에서)에서 시작되었으며 나중에 엑스선 회절에 사용되도록 확장되었다.
탄성 중성자 산란/회절의 한 가지 실용적인 응용은 금속 및 기타 결정질 재료의 격자 상수를 매우 정확하게 측정할 수 있다는 것이다. 정확하게 정렬된 미세 위치기와 함께 금속을 통해 격자 상수의 지도를 얻을 수 있다. 이는 재료가 경험하는 응력장으로 쉽게 변환될 수 있다. 이는 항공우주 및 자동차 부품의 응력을 분석하는 데 사용되어 왔다. 높은 침투 깊이는 크랭크샤프트, 피스톤, 레일, 기어와 같은 벌크 부품의 잔류 응력을 측정할 수 있도록 한다. 이 기술은 ISIS 중성자원의 ENGIN-X 장비와 같은 전용 응력 회절계의 개발로 이어졌다.
중성자 회절은 회절하는 모든 재료의 3D 구조에 대한 통찰력을 제공하는 데에도 활용될 수 있다.
또 다른 용도는 전해질 용액에서 이온 쌍의 용매화수를 결정하는 것이다.
자기 산란 효과는 중성자 회절 기술이 확립된 이래로 재료의 자기 모멘트를 정량화하고 자기 쌍극자 방향 및 구조를 연구하는 데 사용되어 왔다. 중성자 회절의 초기 응용 중 하나는 망가니즈, 철, 니켈 및 코발트 산화물과 같은 반강자성 전이 금속 산화물에서 자기 쌍극자 방향을 연구하는 것이었다. 클리포드 셜이 처음 수행한 이 실험들은 재료 구조 내에서 자기 쌍극자의 반강자성 배열의 존재를 보여준 최초의 실험이었다. 현재 중성자 회절은 새로 개발된 자기 재료를 특성화하는 데 계속 사용되고 있다.
수소, 널-산란 및 대비 변화.
중성자 회절은 싱크로트론 방사원보다 낮은 플럭스로도 단백질 및 계면활성제와 같은 낮은 원자 번호 재료의 구조를 훨씬 쉽게 확립하는 데 사용될 수 있다. 이는 일부 낮은 원자 번호 재료가 높은 원자량 재료보다 중성자 상호 작용에 대한 단면적이 더 크기 때문이다.
엑스선 회절에 비해 중성자 회절의 주요 이점 중 하나는 엑스선이 구조 내 수소(H)의 존재에 상당히 둔감한 반면, 핵 1H 및 2H (즉, 중수소, D)는 중성자에 대한 강한 산란체라는 것이다. 양성자와 중수소의 더 큰 산란 능력은 결정 내 수소의 위치와 그 열운동을 중성자 회절을 통해 더 높은 정밀도로 결정할 수 있음을 의미한다. 금속 수소화물 복합체, 예를 들어 Mg2FeH6의 구조는 중성자 회절을 통해 평가되었다.
H와 D에 대한 중성자 산란 길이 bH = −3.7406(11) fm 및 bD = 6.671(4) fm은 부호가 반대이므로 이 기술로 이들을 구별할 수 있다. 실제로 원소의 기여가 상쇄되는 특정 동위 원소 비율이 있는데, 이를 널-산란(null-scattering)이라고 한다.
시료에 비교적 높은 농도의 H가 있는 것은 바람직하지 않다. H-핵에 의한 산란 강도는 큰 비탄성 성분을 가지며, 이는 산란각에 거의 독립적인 큰 연속적인 배경을 생성한다. 탄성 패턴은 시료가 결정질인 경우 일반적으로 날카로운 브래그 반사로 구성된다. 이들은 비탄성 배경에 묻히는 경향이 있다. 이 기술이 액체 구조 연구에 사용될 때는 더욱 심각하다. 그럼에도 불구하고, 다른 동위 원소 비율로 시료를 준비함으로써 복잡한 구조 내에서 한 원소를 강조할 수 있을 만큼 산란 대비를 변경하는 것이 가능하다. 다른 원소의 변화도 가능하지만 일반적으로 상당히 비싸다. 수소는 저렴하고 특히 흥미로운데, 이는 생화학 구조에서 예외적으로 큰 역할을 하며 다른 방법으로는 구조적으로 연구하기 어렵기 때문이다.
수소 저장 물질 연구.
중성자 회절은 수소와 같은 가벼운 원소에 특히 민감하므로 수소 검출에 사용될 수 있다. 이는 수소 저장 응용 분야에서 관심 있는 재료 부류인 금속 수소화물 내의 결정 구조와 수소 결합 위치를 결정하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 격자 내 수소 원자의 순서는 재료의 저장 용량과 동역학을 반영한다.
자기 구조 결정.
중성자 회절은 중성자가 자기 모멘트와 상호 작용할 수 있으므로 재료의 자기 구조를 결정하는 데 유용한 기술이기도 하다. 중성자 회절을 사용하여 산화 망가니즈(MnO)의 반강자성 구조를 결정하는 데 사용될 수 있다. 중성자 회절 연구는 자기 모멘트를 측정하는 데 사용될 수 있다. 방향 연구는 중성자 회절이 재료의 자기 모멘트의 정확한 정렬을 어떻게 감지할 수 있는지 보여준다. 이는 엑스선으로는 훨씬 더 어렵다.
강유전체에서 상전이.
중성자 회절은 온도나 압력에 따라 결정 구조의 변화를 보이는 강유전체를 포함한 재료의 상전이를 이해하는 데 널리 사용되어 왔다. 티탄산납(PbTiO3)의 강유전성 상전이를 연구하는 데 활용될 수 있다. 원자 변위 매개변수 및 해당 격자 왜곡을 분석하는 데 사용될 수 있다.
공학 재료의 잔류 응력 분석.
중성자 회절은 금속 및 합금을 포함한 공학 재료의 잔류 응력을 비파괴적으로 평가하는 기술로 사용될 수 있다. 또한 공학 재료의 잔류 응력을 측정하는 데도 사용된다.
중성자 회절은 리튬 원자가 엑스선 방사선에 거의 불투명하기 때문에 리튬 이온 배터리 재료 연구에 특히 유용하다. 충전 및 방전 주기 동안 리튬 이온 배터리 음극 재료의 구조적 진화를 조사하는 데 추가로 사용될 수 있다.
중성자 회절은 고온 초전도체에서 결정 및 자기 구조를 밝히는 데 중요한 역할을 해왔다. 고온 초전도체 YBa2Cu3O6+x의 자기 질서에 대한 중성자 회절 연구가 수행되었다. 전 세계의 이러한 과학 팀들의 연구는 자기 배열과 초전도 사이의 관계의 기원을 밝혀내고, 고온 초전도체 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공했다.
합금의 기계적 거동.
중성자 회절의 발전은 하중 하에서 합금의 기계적 변형에 대한 현장 조사를 용이하게 하여 변형 메커니즘에 대한 관찰을 가능하게 했다. 기계적 하중 하에서 티타늄 합금의 변형 거동은 현장 중성자 회절을 사용하여 조사할 수 있다. 이 기술은 변형 전반에 걸쳐 격자 변형 및 상변태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
이온 채널을 위한 중성자 회절.
중성자 회절은 이온 채널을 연구하는 데 사용될 수 있으며, 중성자가 생물학적 구조와 상호 작용하여 원자 세부 사항을 밝히는 방법을 강조한다. 중성자 회절은 수소와 같은 가벼운 원소에 특히 민감하여 채널 내의 물 분자, 이온 위치 및 수소 결합을 매핑하는 데 이상적이다. 중성자 산란 패턴을 분석함으로써 연구자들은 이온 수송 및 선택성에 필수적인 이온 결합 부위, 수화 구조 및 형태 변화를 결정할 수 있다.
중성자 회절의 현재 발전상.
중성자 회절 연구의 발전.