Spin eko nötron spektroskopisi

Nötron spin eko spektroskopisi ( nötron spin eko ya NSE İngilizce) spektroskopik teknik önerilmiştir geri döndü 1972 yılında Ferenc Mezei tarafından. Özel cihazlar, birkaç yüz nanosaniyeye kadar karakteristik sürelerle, mikroskobik ölçekte nispeten yavaş fenomenlerin çalışılmasına izin verir. Üç eksenli spektrometre bazında kullanılması, enerji çözünürlüklerini en az iki büyüklük sırası ( eV mertebesinde E) ile iyileştirmeyi de mümkün kılar . Δ{\ displaystyle \ Delta}μ{\ displaystyle \ mu}

Genel kavram

Temel olarak, teknik, Larmor'un statik bir indüksiyon alanının yönü etrafında manyetik bir momentin presesyonunu kullanır . Söz konusu an, nötron tarafından taşınan ve taşıdığı dönüş 1/2 tarafından üretilen an . Spinin açısal dönme frekansı, ilişki ile verilir.

ω=2πγB{\ displaystyle \ omega = 2 \ pi \ gamma B},

burada = 2916 Hz.G -1 , uygulanan indüksiyon vektörünün normu olan nötronun manyetojik faktörüdür . γ{\ displaystyle \ gamma}B{\ displaystyle B}

Tek renkli bir hız nötron demeti durumunu düşünün . Alanın uygulandığı bir mesafeye uçarlarsa, birikmiş faz tarafından verilecektir. v{\ displaystyle v}l{\ displaystyle l}B{\ displaystyle B}

ϕ=γBlmλh{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Blm \ lambda} {h}}},

hız ile ilişkili dalga boyu nerede , = 1.675. 10 -27 kg nötron kütlesi ve = 6,626. 10 -34 Js Planck sabiti . Yeterince yüksek değerler için fazın ölçümünün , dalga boyunun kesin bir değerlendirmesini sunduğu görülebilir . Bu özellik, nötron spin eko spektroskopisinin temelidir. Aslında, böyle bir spektrometrede mesele, aynı manyetik alanın olduğu ancak zıt yönlerde aynı uzunluktaki iki bölge arasına bir örnek yerleştirme sorunudur. Bu cihazın çıkışında ölçülen toplam fazın yazıldığını gösterebiliriz. λ{\ displaystyle \ lambda}v{\ displaystyle v}m{\ displaystyle m}h{\ displaystyle h}Bl{\ displaystyle Bl}ϕ{\ displaystyle \ phi}λ{\ displaystyle \ lambda}

ϕ=γBlv=γBlmh . (λ1-λ2){\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Bl} {v}} = {\ frac {\ gamma Blm} {h}} ~. ~ \ left (\ lambda _ {1} - \ lambda _ {2} \ sağ)}

burada "-" işareti, iki manyetik alanın zıt yönleri göstermesinden ve nötronun sırasıyla örnekle etkileşimden önce ve sonra dalga boyu olmasından gelir . Nötronlar örnekle enerji alışverişi yapmazlarsa, o zaman öyle yapın . Aksi takdirde, gelen nötronların kinetik enerjisine kıyasla zayıf enerji transferleri sınırı dahilinde,λ1,2{\ displaystyle \ lambda _ {1,2}}λ1=λ2{\ displaystyle \ lambda _ {1} = \ lambda _ {2}}ϕ=0{\ displaystyle \ phi = 0}ℏω{\ displaystyle \ hbar \ omega}

ϕ=γBlm2λ3ω2πh2=ω . τDEĞİLSE{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Blm ^ {2} \ lambda ^ {3} \ omega} {2 \ pi h ^ {2}}} = \ omega ~. ~ \ tau _ {NSE}}

burada bir spin-eko (ya da Fourier) zaman, bu durumda ölçü zamansal çözünürlüğü veren bir aracı bir parametredir. Bunun içinde kübik bir bağımlılığı var . Bu nedenle, mümkün olan en soğuk nötronlarla çalışmakla ilgileneceğiz . τDEĞİLSE{\ displaystyle \ tau _ {NSE}}λ{\ displaystyle \ lambda}

Ölçüm prensibi

Pratikte, bir nötron spin eko spektrometresi (nötron yolu yönünde, yani kaynaktan detektöre) şunları içerir:

• bir hız seçici, yaklaşık olarak tek renkli bir ışın ( % 10 ila 20 arasında) elde etmeyi mümkün kılan emici bir malzeme ile kaplı sarmal kanatlara sahip bir rotor ,Δλ/λ0{\ displaystyle \ Delta \ lambda / \ lambda _ {0}}
• diğerini reddederek nötronların belirli bir dönüş durumunu filtrelemeyi mümkün kılan bir polarizör (genellikle süper aynalara dayanır ) (pratikte% 90-95 oranında polarize edilmiş bir ışın elde edilir),
• olay polarizasyonunun devinim alanına dik olarak hizalanmasını sağlayan bir langırt makinesi ,π/2{\ displaystyle \ pi / 2}
• bir ilk devinim solenoidi,
• numunenin bulunduğu bölgenin etrafında bir dizi düzeltme bobini, nötronların başlangıç ​​aşamasını korumayı mümkün kılar ve böylece gözlemlemek istenen etkileşim dışında herhangi bir şey tarafından değiştirilmesini önler,
• ikinci bir devinim solenoidi,
• kirişi analize hazırlamak için ikinci bir langırt makinesi ,π/2{\ displaystyle \ pi / 2}
• bir polarizöre benzer bir analizör,
• ve son olarak bir nötron detektörü.

Ölçülen miktar, yazılan ışının son polarizasyonudur.

P=⟨çünkü⁡ϕ⟩=∫çünkü⁡(ω.τDEĞİLSE)f(ω)dω{\ displaystyle P = \ langle \ cos \ phi \ rangle = \ int \ cos \ sol (\ omega. \ tau _ {NSE} \ sağ) f \ sol (\ omega \ sağ) d \ omega}

olası enerji transferlerinin dağıtım işlevi nerede . Nötron saçılmasında bu fonksiyon yazılır ve difüzyon fonksiyonu veya dinamik yapı faktörü olarak adlandırılır . Böylece, önceki denklemde bu difüzyon fonksiyonunun Fourier dönüşümünün gerçek kısmını tanıyoruz . f(ω){\ displaystyle f \ sol (\ omega \ sağ)}S(ω){\ Displaystyle S \ sol (\ omega \ sağ)}

Örneğin, tipte bir Lorentzian profili sunuyorsaS(ω){\ Displaystyle S \ sol (\ omega \ sağ)}

S(ω)=1π⋅ΓΓ2+ω2{\ displaystyle S \ sol (\ omega \ sağ) = {\ frac {1} {\ pi}} \ cdot {\ frac {\ Gama} {\ Gama ^ {2} + \ omega ^ {2}}}} ,

yani anlıyoruz

P=tecrübe⁡(-Γ.τDEĞİLSE){\ displaystyle P = \ exp \ sol (- \ Gama. \ tau _ {NSE} \ sağ)} ,

veya üstel bir düşüş. Polarizasyonun , araştırılan fenomenle ilişkili karakteristik zamana ilişkin bilginin bir fonksiyonu olarak ölçülmesi (örneğin, bir sıvıdaki moleküllerin dönme hızı, dönme dalgalanması süresi, bir fononun ömrü, vb. ). P{\ displaystyle P}τDEĞİLSE{\ displaystyle \ tau _ {NSE}}τ0=1/Γ{\ displaystyle \ tau _ {0} = 1 / \ Gama}

Temel araştırma uygulamaları

• Çeşitli tip ve büyüklükteki sistemlerde karakteristik dalgalanmaların zaman ölçümü: manyetik sistemlerde spin dinamiği, makromoleküllerin sürünmesi, sıvılarda difüzyon mekanizmaları, vb.
• Belirli bir dış kısıtlamanın (sıcaklık, basınç, vb. ) Bir fonksiyonu olarak, tekli kristallerdeki veya tozlardaki örgü parametrelerinin değişiminin kesin belirlenmesi . Buna Larmor kırınımı denir .

Enstrüman örnekleri

• At Institut Laue-Langevin : (Grenoble, Fransa) IN11 , IN15 , IN22 / ZETA , WASP
• Léon Brillouin Laboratuvarı'nda (Gif sur Yvette, Fransa): MÜZELER
• (en) Maier-Leibnitz Zentrum'da (Garching bei München, Almanya): J-NSE , RESEDA , TRISP
• (tr) Helmoltz-Zentrum Berlin'de (Berlin, Almanya): V2 / FLEXX
• (tr) Nötron Kaynak Spallasyonunda (Oak Ridge, ABD): NSE
• (inç) J-Parc'ta (Ibaraki, Japonya): ROSE WINE (yapım aşamasında)

Kaynakça

• F. Mezei, Nötron spin eko - Polarize termal nötron tekniklerinde yeni konsept , Zeit. Phys. 255 (1972) 146
• F.Mezei (Ed.), Neutron Spin Echo , Lecture Notes in Physics 128 (1979)
• F. Mezei, C. Pappas ve T. Gutberlet (Ed.), Nötron Spin Echon Spektroskopisi: Temeller, eğilimler ve uygulamalar , Fizikte Ders Notları 601 (2003)
• T. Keller, B. Golub ve R. Gähler, Neutron Spin Echo - Yüksek çözünürlüklü nötron saçılması için bir teknik , [1]