Времяпролетный нейтронный рефлектометр для компактного источника нейтронов DARIA: численное моделирование методом Монте-Карло

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложены два типа рефлектометров поляризованных нейтронов в зависимости от типа конфигурации блока мишени (“мишенной сборки”) — с тепловым или криогенным замедлителями — на компактном источнике нейтронов DARIA (Dedicated for Academical Research and Industrial Application). Моделирование и оптимизация узлов рефлектометров проводили методом Монте-Карло в программном пакете McStas с заранее заданными разрешением по переданному импульсу Δq/q ≤ 5 % для углов отражения больших, чем критический угол θкр и горизонтальной расходимостью нейтронного пучка Δθ ≤ 0.1° при θ < θкр и Δθ ≤ 0.033° при θ > θкр. Для уменьшения потерь нейтронов предложены нейтроноводы с суперзеркальным покрытием. Система прерывателей нейтронного пучка позволяет формировать на образце спектр нейтронов заданной ширины.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. А. Григорьева

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: n.a.grigorieva@yandex.ru
Россия, Екатеринбург

Н. А. Коваленко

Санкт-Петербургский государственный университет; НИЦ “Курчатовский институт”

Email: n.a.grigorieva@yandex.ru

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинов

Россия, Санкт-Петербург; Гатчина

С. В. Григорьев

Санкт-Петербургский государственный университет; НИЦ “Курчатовский институт”

Email: n.a.grigorieva@yandex.ru

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинов

Россия, Санкт-Петербург; Гатчина

Список литературы

  1. Боднарчук В.И., Булкин А.П., Кравцов Е.А., Плешанов Н.К., Сыромятников В.Г., Ульянов В.А. // Кристаллография. 2022. Т. 67. № 1. C. 57. https://www.doi.org/10.31857/S0023476122010040
  2. Сыромятников В.Г., Григорьева Н.А., Григорьев С.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. нейтрон. исслед. 2023. № 7. C. 93. https://www.doi.org/10.31857/S102809602307018X
  3. Grigoryeva N.A., Ukleev V., Vorobiev A.A., Stognij A.I., Novitskii N.N., Lutsev L.V., Grigoriev S.V. // Magnetochemistry. 2022. V. 8. P. 167. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry8120167
  4. Кожевников С.В., Жакетов В.Д., Раду Ф. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2018. Т. 154. Вып. 4 (10). С. 698. https://www.doi.org/10.1134/S0044451018100024
  5. Lefmann K., Nielsen N.K. // Neutron news. 1999. V. 10. № 3. P. 20. https://doi.org/10.1080/10448639908233684
  6. Уиндзор К. Рассеяние нейтронов от импульсных источников. М.: Энергоатомиздат, перевод с английского, 1985. 352 с.
  7. Плешанов Н.К. // Поверхность. Рентген., синхротр. нейтрон. исслед. 2016. № 8. C. 20. https://www.doi.org/10.7868/S0207352816080151
  8. Gutberlet Th., Rucker U., Zakalek P., Cronert T., Voigt J., Baggemann J., Doege P.-E., Mauerhofer E., Bohm S., Dabruck J., Nabbi R., Butzek M., Klaus M., Lange C., Bruckel T. // Physica B: Condensed Matter. 2019. V. 570. P. 345. https://doi.org/10.1016/j.physb.2018.01.019
  9. Hawkesworth M.R. // Atomic Energy Rev. 1977. V. 15. P. 169.
  10. Subbotina V.V., Pavlov K.A., Kovalenko N.A., Konik P.I., Voronin V.V., Grigoriev S.V. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2021. V. 1008. P. 165462. https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165462
  11. Moroz A.R., Kovalenko N.A. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2023. V. 17. No. 4. P. 799. https://www.doi.org/10.1134/S1027451023040092
  12. Moroz A.R., Kovalenko N.A., Grigoriev S.V. // J. Neutron Res. 2022. V. 24. P. 299. https://www.doi.org/10.3233/JNR-220025
  13. Булавин М.В., Мухин К.А., Рогов А.Д. // Атомная Энергия. 2024. Т. 137. № 1–2, в печати.
  14. Mirrotron Ltd (2024) Hungary. https://mirrotron.com/en
  15. Neutron Optical Components and Instruments (2024) SwissNeutronics AG, Switzerland. https://www.swissneutronics.ch/products/neutron-supermirrors/
  16. Плешанов Н.К., Булкин А.П., Сыромятников В.Г. // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 5. С. 954. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/1835
  17. Grigoriev S.V., Runov V.V., Okorokov A.I. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1997. V. 384. № 2–3. P. 451. https://www.doi.org/10.1016/S0168-9002(96)00919-9
  18. Syromyatnikov V.G., Ulyanov V.A., Lauter V., Pusenkov V.M., Ambaye H., Goyette R., Hoffmann M., Bulkin A.P., Kuznetsov I.N., Medvedev E.N. // J. Phys.: Conf. Ser. 2014. V. 528. № 1. P. 012021. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/528/1/012021
  19. Кащук А.П., Левицкая О.В. // Журнал технической физики. 2020 Т. 90. № 4. C. 519. https://www.doi.org/10.21883/JTF.2020.04.49074.84-19
  20. Hayter J.B., Mook H.A. // J. Appl. Cryst. 1989. V. 22. P. 35. https://doi.org/10.1107/S0021889888010003
  21. Schanzer C., Schneider M., Boni P. // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 746. P. 012024. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/746/1/ 012024

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Коэффициент пропускания нейтронов через бериллиевый фильтр (a) и отношение временных зависимостей интенсивности прошедшего через бериллиевый фильтр и исходного пучков нейтронов (б).

Скачать (25KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Диаграмма время–расстояние для спектрального диапазона импульса нейтронов от 1 до 10 Å (выделено фигурной скобкой). Показано четыре импульсные последовательности. Горизонтальными линиями отмечены позиции прерывателя при L = 14 (3) и 8 м (3’) и детектора при L = 14 (7) и 8 м (7’). Периодичность следования нейтронных импульсов соответствует T = 1/fp.

Скачать (26KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость относительного разрешения рефлектометра по переданному импульсу Δq/q от длины волны нейтронов для углов скольжения 1.5 (1); 4.5 (2); 11.5 (3); 17.5 (4); 21 мрад (5).

Скачать (14KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схема нейтронного рефлектометра для мишени с тепловым и криогенным замедлителями: 1 — источник нейтронов; 2 — изогнутый нейтроновод; 3 — трехдисковый прерыватель пучка; 4 — прямой нейтроновод; 5 — коллимационные щели; 6 — узел образца; 7 — двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор; 8 — поляризатор нейтронного пучка; 9 — радиочастотное адиабатическое устройство для переворота спина нейтрона; 10 — веерный многощелевой анализатор. Шкала сверху указывает расстояния от поверхности замедлителя до узлов рефлектометра.

Скачать (20KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектральная (вверху) и временная (внизу) зависимости интенсивности нейтронного импульса, вышедшего с криогенного мезитиленового замедлителя диаметром 0.1 м. Усредненный по времени поток нейтронов составляет Φ = 5.86 × 108 н⋅см–2 ⋅ с–1 в диапазоне длин волн от 0.5–10 Å.

Скачать (22KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Вверху — спектральная зависимость импульса нейтронов, прошедших через изогнутый нейтроновод длиной 4.8 м, радиусом кривизны Rn = 1152 м и внутренним сечением 0.01 × 0.05 м. Усредненный по времени поток нейтронов составляет Φ = 3.3 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1 в диапазоне длин волн от 0.5–10 Å. Внизу — профиль нейтронного пучка на выходе из изогнутого нейтроновода.

Скачать (29KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Спектральная зависимость интенсивности нейтронного пучка, прошедшего через первый и второй диски прерывателя при трех диапазонах длин волн δλ. Пустой кружок — прерыватель 1: δλ = 1Å – – 7Å = 6 Å, заполненный кружок — прерыватель 2: δλ = 1Å — 7Å = 6 Å, усредненный по времени поток нейтронов составляет Φ = 1.35 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1. Пустой квадрат — прерыватель 1: δλ = 4Å — 10Å = 6 Å, заполненный квадрат — прерыватель 2: δλ = 4Å –10 Å = = 6 Å, Φ = 9.0 × 105 н⋅см–2 ⋅ с–1. Пустой треугольник — прерыватель 1: δλ = 2Å — 8 Å = 6 Å, заполненный треугольник — прерыватель 2: δλ = 2Å — 8 Å = 6 Å, Φ = 1.35 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1.

Скачать (12KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Спектральные зависимости интенсивности нейтронного пучка, прошедшего через первый (пустые символы) и третий (сплошные символы) диски прерывателя для диапазонов длин волн δλ, заданных первым диском прерывателя, от 1 до 7 Å (a) и от 3 до 9 Å (б). Третий диск вырезает спектральную ширину нейтронов δλ = 3Å. (а) — пустой кружок — прерыватель 1: δλ = 1Å — 7Å = 6 Å, заполненный кружок — прерыватель 3: δλ = 1Å — 4Å = 3 Å, усредненный по времени поток нейтронов составляет Φ = 1.34 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1; заполненный квадрат — прерыватель 3: δλ = 2Å — 5Å = 3 Å, Φ = 1.74 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1; заполненный треугольник — прерыватель 3: δλ = 4Å — 7Å = = 3 Å, Φ = 1.24 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1. (б) — пустой кружок — прерыватель 1: δλ = 3Å — 9Å = 6 Å, заполненный кружок — прерыватель 3: δλ = 3Å — 6Å = 6 Å, Φ = 1.6 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1; заполненный квадрат — прерыватель 3: δλ = 5Å — 8Å = 3 Å, Φ = 8.84 × 105 н⋅см–2 ⋅ с–1; заполненный треугольник — прерыватель 3: δλ = 6Å — 9Å = 3 Å, Φ = 6.2 × 105 н⋅см–2 ⋅ с–1.

Скачать (25KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Спектральные зависимости интенсивности нейтронного пучка на выходе из прямого нейтроновода для диапазона λ от 1 до 7 Å (a) при сечении нейтроновода 0.01 × 0.05 м — (пустые символы), Φ = 9.45 × 105 н⋅см–2 ⋅ с–1. и 0.005 × 0.05 м (сплошные символы), Φ = 1.06 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1. Для диапазона λ от 4 до 10 Å (б) при сечении нейтроновода 0.01 × 0.05 м — (пустые символы), Φ = 5.5 × 105 н⋅см–2 ⋅ с–1. и 0.005 × 0.05 м (сплошные символы), Φ = 6.06 ×105 н⋅см–2 ⋅ с–1.

Скачать (24KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость величины потока нейтронов на выходе из нейтроновода (а): изогнутого, с сечением 0.01 × 0.05 м (сплошные символы); прямого, с сечением 0.005 × 0.05 м (пустые символы); и после коллимационных щелей размером 0.001 × 0.05 м (б) от параметра нейтроноводных суперзеркал m.

Скачать (16KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Горизонтальная расходимость пучка нейтронов на образце в нейтронном рефлектометре для мишени с тепловым и криогенным замедлителями и времяпролетной базой L = 14 м.

Скачать (15KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Спектральные зависимости импульса нейтронов, падающих на образец, для различных конфигураций дисков прерыватели и диапазонов по λ. Сплошные круги — диск 1 + диск 2, δλ = 6 Å (λ от 1 до 7 Å), усредненный по времени поток нейтронов составляет Φ = 3.91 × 104 н⋅см–2 ⋅ с–1; пустые круги — диск 1 + диск 3, δλ = 3 Å (λ от 1 до 4 Å), Φ = 5.66 × × 104 н⋅см–2 ⋅ с–1; пустые треугольники — диск 1 + диск 3, δλ = 3 Å (λ от 4 до 7 Å), Φ = 2.02 × 104 н⋅см–2 ⋅ с–1.

Скачать (16KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Схема нейтронного рефлектометра для мишени с тепловым замедлителем: 1 –источник нейтронов; 3 — однодисковый прерыватель пучка; 4 — прямой нейтроновод; 5 — коллимационные щели; 6 — узел образца; 7 — двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор; 8 — поляризатор нейтронного пучка; 9 — радиочастотное адиабатическое устройство для переворота спина нейтрона. Шкала сверху указывает расстояния от поверхности замедлителя до узлов рефлектометра.

Скачать (17KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Спектральная (вверху) и временная (внизу) зависимости импульса нейтронов, вышедших из теплового (водного) предзамедлителя диаметром 0.1 м. Усредненный по времени поток нейтронов составляет Φ = = 3.86 × 108 н⋅см–2 ⋅ с–1 в диапазоне длин волн от 0.5–10 Å.

Скачать (22KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Спектральная зависимость импульса нейтронов, прошедших через прямой нейтроновод длиной 2.4 м с внутренним сечением 0.01×0.05 м. Усредненный по времени поток нейтронов составляет Φ = 1.34 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1 в диапазоне длин волн от 0.5–10 Å.

Скачать (10KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Зависимость величины потока нейтронов на выходе из прямого нейтроновода сечением 0.01 × 0.05 м (сплошные символы) и после коллимационных щелей размером 0.001 × 0.05 м (пустые символы) от параметра нейтроноводных суперзеркал m.

Скачать (8KB)
Метаданные
18. Рис. 17. Спектральная зависимость интенсивности нейтронного пучка, прошедшего через однодисковый прерыватель. Усредненный по времени поток нейтронов составляет Φ = 1.17 × 106 н⋅см–2 ⋅ с–1 в диапазоне длин волн от 0.5–10 Å.

Скачать (10KB)
Метаданные
19. Рис. 18. Горизонтальная расходимость пучка нейтронов на образце в нейтронном рефлектометре на мишени с тепловым замедлителем и времяпролетной базой L = 8 м.

Скачать (17KB)
Метаданные
20. Рис. 19. Сравнение спектральных зависимостей импульса нейтронов (δλ = 6 Å), падающих на образец, для рефлектометров с криогенным замедлителем и L = 14 м (сплошные символы), Φ = 3.91 × × 104 н⋅см–2 ⋅ с–1; с тепловым предзамедлителем и L = 8м (пустые символы), Φ = 5.13 × 104 н⋅см–2 ⋅ с–1.

Скачать (14KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2024