A neutronográfia ( neutronból és „gráfból” - írom, neutronspektroszkópia is ) egy diffrakciós módszer kristályok , amorf anyagok és folyadékok atomi és/vagy mágneses szerkezetének neutronszórásos vizsgálatára .
A neutront James Chadwick fedezte fel 1932-ben, és már 1936-ban közvetve kimutatták, hogy más elemi részecskékhez hasonlóan hullámtulajdonságokat mutat, és kristályrácsokon diffrakciót tud okozni. Az első munka a neutronográfia területén Enrico Fermi ( 1946-48 ) olasz fizikusé . Az 1950-es évekre olyan tesztreaktorok is léteztek, amelyek képesek voltak kellően fényes neutronfluxusokat generálni, amelyek szükségesek a neutronspektroszkópiai kísérletek elvégzéséhez . A Debye-Scherrer kísérlethez hasonló kísérleteket is végeztek . Ezek és számos más mű azonban töredékes és hiányos volt. Különösen a termikus diffúz szórás elméletileg megjósolt hatását [1] [2] nem erősítették meg kísérletileg .
1946-ban a közvetlen neutrondiffrakciót először Ridge -ben mutatták be Vollan irányításával Célként természetes nátrium-klorid polikristályokat , valamint könnyű- és nehézvizet használtak . Ugyanebben az évben Clifford Schull [3] [4] csatlakozott ehhez a csoporthoz . 1949-ben jelentősen javították a beállításukat: egy második spektrométert csatlakoztattak a kijárathoz , amelyet kifejezetten a neutronok detektálására terveztek (az elsőt röntgenspektrométerből alakították át), valamint indiumlemezeket használtak a neutronsugarak fényképezésére. Ez lehetővé tette számukra, hogy először megkapják a neutron Lauegramot [5] [6] .
1951-ben a Chalk River Laboratoryban ( Kanada ) megkezdték a neutrondiffrakció szisztematikus tanulmányozását . 1952-ben Bertram Brockhouse vezetésével itt fejlesztették ki az első háromtengelyes neutronspektrométert, amely áttörést tett lehetővé a neutronspektroszkópiában. Igaz, ekkor baleset történt az általuk használt NRX reaktorban és csak 1954-ben kezdték újra Ez alatt a két év alatt azonban nagyméretű egykristályos alumínium- és ólomtuskákat termesztettek, amelyek lehetővé tették egy egyedi tulajdonságokkal rendelkező monokromátor és spektrométer-analizátor létrehozását. A spektrométer sikeres tervezése és az új technológiák lehetővé tették, hogy rövid időn belül nagyszámú teljesen új eredményt kapjunk [7] [8] .
1994-ben ezek a művek elnyerték a fizikai Nobel-díjat , amelyet K. Schall és B. Brockhaus kapott (E. Vollan nem kapott díjat, mivel 1984-ben halt meg).
A neutronspektrometria céljára általában 0,001 eV és néhány tized eV energiájú, atomreaktorokban nyert termikus neutronokat használnak . Az ilyen neutronok de Broglie hullámhossza tized angströmtől 10 angströmig terjed . Ez a választás annak a ténynek köszönhető, hogy a kvantumszintek jellemző energiái sűrített közegben ebbe az energiatartományba esnek. Ebben az esetben a neutron hullámhossza nagyságrendileg megegyezik az atomközi távolsággal. Az is szerencsés, hogy az ilyen energiájú neutronok könnyen jelentős mélységbe hatolhatnak a legtöbb anyagban anélkül, hogy elpusztítanák azokat [9] [10] .
A vizsgált tárgyat neutronsugárral sugározzák be, amely az anyag atomjain szóródik. A szórást neutronspektrométerekkel rögzítjük, amelyek a röntgendiffraktometriához hasonlóan a diffrakciós szög függvényében mérik a neutronszórás intenzitását. A kapott diffrakciós spektrumok alapján helyreáll a vizsgált objektum atomi szerkezete.
A nyalábban lévő neutronok energiáját általában úgy mérik, hogy megmérik a neutronok de Broglie-hullámhosszát diffrakciójuk alapján egy kristályrácson, vagy az ismert hosszúságú résen való átrepülés idejével. Az első módszer azonban további hibát ad a visszaverődési szögből a hullámhosszra való átmenethez a Bragg-transzformáció révén. Ugyanakkor ezek a módszerek technikai szempontból és a kísérlet felállítása szempontjából is nagyon eltérnek [11] [12] .
A nyalábban lévő neutronok energiájának mérésére két további módszert is ritkábban használnak. Az elsőben, amelyet "Filter-chopper"-nek ( eng. fliter-chopper ) vagy "Hidegneutronnak" ( eng. cold neutron ) neveznek, speciális polikristályos szűrőket használnak, amelyek általában fémes berilliumból készülnek. Ez a szűrő kiszűri az összes neutront, amelynek hullámhossza kisebb, mint egy bizonyos hullámhossz (a hosszabb hullámhosszak egyszerűen nem tapasztalják a Bragg-szórást, és akadálytalanul haladnak át a szűrőn). A szórt neutronokat ezután a fly-by módszerrel elemzik. Az inverz módszer a "Filter-detector" vagy " berilliumdetektor" módszer , amelyben csak a leglassabb neutronokat regisztrálják kristálydiffrakcióval [13] [14] .
A neutronspektrum részletesebb mérésére kifinomultabb módszereket alkalmaznak. Például az adszorpciós módszer azon alapul, hogy a különböző kémiai elemek atommagjainak a neutronbefogás keresztmetszete eltérően függ az energiájuktól. Mivel mindezen keresztmetszetek jól ismertek, a különböző anyagokból készült abszorberek egymást követő sorozata lehetővé teszi a neutronspektrum mérését [13] [14] .
Jelentős áttörést jelentett a triaxiális neutronspektrométer technológia kifejlesztése. A vizsgált mintát egy asztalra helyezték, amely az egykristályon a neutronok Bragg-diffrakciója eredményeként kapott "monokromatikus" neutronnyaláb terjedési iránya mentén tudott elmozdulni, és diffrakcióval kiszűrni a felesleges neutronokat. A második monokromátor elemző spektrométerként működik, és egészében mozoghat. Ezzel a technológiával viszonylag könnyen mérhetővé vált a szórási keresztmetszet neutronenergiától való függése és szórási szöge a paraméterek széles tartományában [7] [8] .
A neutron diffrakciós spektrumok értelmezésekor a diffrakció geometriai elméletét használjuk , amely az elektron- és röntgendiffrakcióra is alkalmazható . Ezen sugárzások mindegyike sajátos kölcsönhatásban áll az anyaggal, ami meghatározza a hatókörüket.
A neutronok szóródása az atommagokon történik, ami ahhoz vezet, hogy a szórási amplitúdója nem szisztematikusan függ a kémiai elem sorszámától , ellentétben az elektronok és a röntgensugárzás szóródásával. Ez lehetővé teszi a neutronográfia használatát a periódusos rendszerben lévő szomszédos elemek atomjainak helyzetének meghatározására .
A könnyű atomok (kis töltésszámú) neutronszórási amplitúdója összevethető a nehéz atomok szórási amplitúdójával, ami miatt a neutronok nélkülözhetetlenek a hidrogénatomok helyzetének meghatározásában fémhidridekben, szénatomok helyzetének meghatározásában fémkarbidokban stb.
Egyes atommagok fázisban szórják a neutronhullámokat, ami a zéró mátrix módszerében is alkalmazásra talált , ha egy ilyen összetételt úgy választanak ki, hogy az atomok teljes szórási amplitúdója az egyik részrácsban nullával egyenlő. Ebben az esetben a szórás csak egy másik részrácsból történik, és ha ezek könnyű elemek atomjai, akkor a koordináták meghatározása az egységcellában jelentősen leegyszerűsödik.
Mivel a neutronok szórási amplitúdója nem függ a szórási szögtől, felhasználhatók folyadékok és amorf anyagok atomi szerkezetének vizsgálatára.
A mágneses momentum jelenléte egy neutronban ahhoz a tényhez vezet, hogy azok szétszóródnak az atommagokkal és a mágneses momentumokkal rendelkező elektronhéjakkal való kölcsönhatás miatt. Ezért a neutronok az egyetlen eszköz a mágnesek mágneses rendeződésének tanulmányozására, ahol összefüggés van a mágneses nyomatékok irányai között . Így a mágneses neutronográfiának köszönhetően a mágneses anyagok új osztályait fedezték fel - az antiferromágneseket és a ferrimágneseket .