중성자 산란

물질에 의한 자유 중성자의 불규칙한 분산인 중성자 산란은 자연적으로 발생하는 물리적 과정 그 자체 또는 물질을 조사하기 위해 자연 과정을 사용하는 인공 실험 기술을 나타낼 수 있다.자연/물리적 현상은 핵공학 및 핵과학에서 기본적으로 중요하다.실험기술에 관해서는 결정학, 물리학, 물리화학, 생물물리학, 재료연구에서 사용되는 응용분야에서 중성자 산란을 이해하고 조작하는 것이 기본이다.

중성자 산란은 다양한 강도의 중성자 방사선을 제공하는 연구용 원자로와 파쇄 중성자 선원에서 실행된다.중성자 회절(탄성 산란) 기술은 구조를 분석하는 데 사용된다.여기서 비탄성 중성자 산란은 원자 진동 및 기타 들뜸 연구에 사용된다.

고속 중성자 산란

"고속 중성자"(중성자 온도 참조)는 1MeV 이상의 운동 에너지를 갖는다.그것들은 정지 상태의 입자와 탄성 충돌의 유효한 실험 근사치로서 1 eV 미만의 운동 에너지를 가진 핵물질에 의해 산란될 수 있다.충돌할 때마다, 빠른 중성자는 운동 에너지의 상당 부분을 산란 핵(응축 물질)으로 전달하며, 핵이 가벼울수록 더 가볍다.그리고 충돌할 때마다, "빠른" 중성자는 그것이 흩어지는 물질과 열 평형에 도달할 때까지 느려진다.

중성자 조절기는 운동 에너지가 1 eV(T ^[1]< 500K) 미만인 열 중성자를 생성하는 데 사용된다.열중성자는 원자로에서 핵 연쇄 반응을 유지하기 위해, 중성자 산란 실험 및 기타 중성자 과학의 응용에 대한 연구 도구로 사용된다(아래 참조).이 기사의 나머지 부분은 열 중성자의 산란에 초점을 맞추고 있다.

중성자-물질 상호작용

중성자는 전기적으로 중립적이기 때문에 동등한 운동 에너지의 전하를 띤 입자보다 물질에 더 깊이 침투하기 때문에 부피 성질을 조사하는 데 가치가 있다.

중성자는 원자핵 및 짝이 없는 전자로부터의 자기장과 상호작용하여 중성자 산란 실험에서 뚜렷한 간섭과 에너지 전달 효과를 일으킨다.비슷한 파장을 가진 X선 광자가 핵을 둘러싸고 있는 전자 구름과 상호작용하는 것과 달리, 중성자는 페르미의 의사 전위에 의해 기술된 것처럼 핵 자체와 주로 상호작용합니다.중성자 산란과 흡수 단면은 동위원소마다 매우 다양하다.

중성자 산란은 동위원소에 따라 일관성이 없거나 일관성이 있을 수 있다.모든 동위원소 중에서 수소는 산란 단면이 가장 높다.탄소와 산소와 같은 중요한 원소는 중성자 산란에서 상당히 눈에 띈다. 이는 원자 번호에 따라 단면이 체계적으로 증가하는 X선 산란과는 현저한 대조를 이룬다.따라서 중성자는 단백질과 계면활성제를 포함한 원자 번호가 낮은 물질을 분석하는데 사용될 수 있다.이는 싱크로트론 소스에서 수행될 수 있지만 매우 높은 강도가 필요하며, 이로 인해 구조가 변경될 수 있습니다.동위원소마다 등방성 전위가 랜덤하게 다르기 때문에 핵은 매우 짧은 범위를 제공하므로 실험에 적합하도록 (산란) 대조도를 조정할 수 있다.

산란에는 거의 항상 탄성 성분과 비탄성 성분이 모두 포함되어 있습니다.탄성 산란의 비율은 Debye-Waller 계수 또는 Mössbauer-Lamb 인수에 의해 결정된다.연구 질문에 따라 대부분의 측정은 탄성 산란 또는 비탄성 산란에 집중됩니다.

중성자 빔의 정확한 속도, 즉 정밀한 에너지와 드 브로글리 파장을 달성하는 것은 중요하다.이러한 단일 에너지 빔을 '단색광'이라고 하며, 단색성은 결정 단색기 또는 비행 시간(TOF) 분광계를 사용하여 달성됩니다.비행시간 기술에서 중성자는 특정 속도의 중성자만 선택되도록 2개의 회전 슬릿 시퀀스를 통해 보내진다.중성자의 빠른 펄스를 만들 수 있는 파쇄 선원이 개발되었다.펄스는 다양한 속도 또는 드 브로이 파장의 중성자를 포함하지만, 이후에 샘플과 중성자 검출기 사이의 중성자 비행 시간을 측정하여 산란 중성자의 개별 속도를 결정할 수 있다.

자기 산란

중성자는 순전하가 0이지만, 전자 모멘트의 약 0.1%에 불과하지만 유의한 자기 모멘트를 가지고 있다.그럼에도 불구하고, 응축 물질 내부의 국소 자기장에서 산란할 수 있을 만큼 충분히 크며, 약하게 상호 작용하여 질서 있는 자기 구조와 전자 스핀 변동을 ^[2]투과하는 프로브를 제공합니다.

비탄성 중성자 산란

비탄성 중성자 산란 실험의 일반적인 레이아웃

비탄성 중성자 산란

비탄성 중성자 산란은 원자 및 분자 운동뿐만 아니라 자기장 및 결정장 ^[3]^[4]들뜸을 연구하기 위해 응축 물질 연구에서 일반적으로 사용되는 실험 기술이다.중성자와 시료의 충돌이 비탄성일 때 발생하는 운동 에너지의 변화를 해결함으로써 다른 중성자 산란 기술과 구별된다.결과는 일반적으로 동적 구조 계수( $S(\mathbf {Q} ,\omega )$ 산란 법칙이라고도 함) $S(\mathbf {Q} ,\omega )$ $S(\mathbf {Q} ,\omega )$ , $S(\mathbf {Q} ,\omega )$ ) { $display style$ S $(\$ $mathbf {Q$ $}$ , \ $obmega$ } )로 $\chi ^{{\prime \prime }}({\mathbf {Q}},\omega )$ 전달되며, 때로는 동적 $\chi ^{\prime \prime }(\mathbf {Q} ,\omega )$ $\chi ^{\prime \prime }(\mathbf {Q} ,\omega )$ ( $\chi ^{\prime \prime }(\mathbf {Q} ,\omega )$ $\chi ^{\prime \prime }(\mathbf {Q} ,\omega )$ , ) $\chi ^{\prime \prime }(\mathbf {Q} ,\omega )$ $)$ （ \ $display style$ \chi ^ { \ prime \ $prime$ \ } \ $prime$ \ $）$ ) \ ) \ ) \ （ \ $）$ ) ) ) ) ) ) ) （ \ ）） ) ) ) ) ) ) ) ) ) $laystyle \mathbf {Q} }$ 는 $\mathbf {Q}$ 유입파 벡터와 발신파 벡터의 차이이며, $\hbar \omega$ {\ $displaystyle \hbar \obega}$ 는 $\hbar \omega$ 샘플이 경험하는 에너지 변화(산란 중성자의 음수)이다.결과가 $\omega$ {\ $displaystyle \obega$ 의 함수로 표시될 경우, 비탄성 중성자 산란을 특수 분광법으로 볼 수 있는 한 기존 스펙트럼 분석 기법으로 얻은 스펙트럼과 동일하게 해석될 수 있다.

비탄성 산란 실험에서는 일반적으로 입사 또는 출사 빔의 단색화와 산란 중성자의 에너지 분석이 필요하다.이는 비행 시간 기법(중성자 비행 시간 산란) 또는 단일 결정의 브래그 반사(중성자 삼중 축 분광법, 중성자 후방 산란)를 통해 수행될 수 있다.단색화는 ^{[citation needed]}진폭과 함께 중성자의 양자역학상을 사용하는 에코 기술(중성자 스핀 에코, 중성자 공명 스핀 에코)에서는 필요하지 않다.

역사

최초의 중성자 회절 실험은 1930년대에 ^[1]수행되었다.그러나 1945년경 원자로의 등장으로 높은 중성자속이 가능해져 심층적인 구조조사가 가능해졌다.최초의 중성자 산란 기기는 다목적 연구용 원자로의 빔 튜브에 설치되었다.1960년대에 빔 튜브 실험에 최적화된 고휘발성 원자로가 건설되었다.개발은 지금까지 가장 높은 중성자속을 달성한 연구소 Laue-Langevin(1972년 이후 운영)의 고휘도 원자로로 정점을 찍었다.몇몇 고휘발원 외에 대학 등 연구기관에는 20여 개의 중휘발원로가 있었다.1980년대부터, 이러한 중플루스의 많은 원천은 폐쇄되었고, 연구는 몇몇 세계적인 하이플루스의 원천에 집중되었다.

시설.

오늘날, 대부분의 중성자 산란 실험은 공식적인 제안 절차를 통해 중성자 선원의 빔 타임을 신청하는 연구 과학자들에 의해 수행된다.중성자 산란 실험과 관련된 낮은 계수율 때문에 (일 단위로) 상대적으로 긴 빔 시간이 사용 가능한 데이터 세트에 필요하다.제안서는 실현가능성과 과학적 ^[5]관심을 위해 평가된다.

기술

중성자 회절
비탄성 중성자 산란

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ ^a ^b Lüth, Harald Ibach, Hans (2009). Solid-state physics : an introduction to principles of materials science (4th extensively updated and enlarged ed.). Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-93803-3.
^ Zaliznyak, Igor A.; Lee, Seung-Hun (2004), Magnetic Neutron Scattering
^ G L 스콰이어스 열 중성자 산란 이론 소개 1997 (리프린트)
^ Taylor, Andrew Dawson (1976). Inelastic Neutron Scattering by Chemical Rate Processes. ox.ac.uk (DPhil thesis). University of Oxford. OCLC 500576530. EThOS uk.bl.ethos.474621.
^ "How To Submit a Proposal". Neutron Sciences at ORNL. Oak Ridge National Laboratory. Retrieved May 12, 2022.

외부 링크

[ibach-1] Lüth, Harald Ibach, Hans (2009). Solid-state physics : an introduction to principles of materials science (4th extensively updated and enlarged ed.). Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-93803-3.

[Zaliznyak-2] Zaliznyak, Igor A.; Lee, Seung-Hun (2004), Magnetic Neutron Scattering

[3] G L 스콰이어스 열 중성자 산란 이론 소개 1997 (리프린트)

[PhD-474621-4] Taylor, Andrew Dawson (1976). Inelastic Neutron Scattering by Chemical Rate Processes. ox.ac.uk (DPhil thesis). University of Oxford. OCLC 500576530. EThOS uk.bl.ethos.474621.

[5] "How To Submit a Proposal". Neutron Sciences at ORNL. Oak Ridge National Laboratory. Retrieved May 12, 2022.

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