_________________________________________________________________________________________________ 25 февраля 2011 проект 3.9 (2010) Программы ОФН РАНФЭЧ. - презентация

1 _________________________________________________________________________________________________ 25 февраля 2011 проект 3.9 (2010) Программы ОФН РАНФЭЧ ЯФ ЯТ

2 _________________________________________________________________________________________________ Проект 3.9. Разработка время-пролетных Проект 3.9. Разработка время-пролетных спектрометров неупругого рассеяния нейтронов спектрометров неупругого рассеяния нейтронов на нейтронном комплексе ИЯИ РАН на нейтронном комплексе ИЯИ РАН участники проекта: Лаборатория нейтронных исследований Институт ядерных исследований РАН цель: создание в ИЯИ РАН современных нейтронных установок, позволяющих проводить измерения в интересах физики конденсированных сред, физического материаловедения

3 _________________________________________________________________________________________________ Экспериментальный комплекс ИЯИ РАН в г.Троицке Экспериментальный комплекс ИЯИ РАН в г.Троицке Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

4 _________________________________________________________________________________________________ Нейтронный комплекс ИЯИ РАН для исследования конденсированных Нейтронный комплекс ИЯИ РАН для исследования конденсированных сред. 1-я очередь установок на импульсном источнике ИН-06 сред. 1-я очередь установок на импульсном источнике ИН-06 Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

5 _________________________________________________________________________________________________ Эксперименты на установках 1-й очереди. Нейтронная дифракция Эксперименты на установках 1-й очереди. Нейтронная дифракция в 2010 г. были получены нейтронные дифрактограммы эталонных образцов и образцов функциональных материалов при нейтронном потоке источника ИН-06 в несколько единиц % от номинала. Тем самым продемонстрирован большой потенциал источника ИН-06 для нейтронной дифракции и нейтронной спектроскопии, которая требует высокой светосилы источника Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

6 _________________________________________________________________________________________________ ИН-06 (ИН-10), установки второй очереди ИН-06 (ИН-10), установки второй очереди Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

7 _________________________________________________________________________________________________ Установки второй очереди на чертежах проекта ГСПИ-ИЯИ Установки второй очереди на чертежах проекта ГСПИ-ИЯИ Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

8 _________________________________________________________________________________________________ Нейтронные спектры источника ИН-06: эксперимент и расчет при выборе областей научного применения для установок второй очереди, типов установок и их параметров мы опирались на расчетные нейтронные спектры - препринт ИЯИ 1140 (2005) - эксперименты ноября 2010 г. в целом подтвердили расчеты - спектр ИН-06 существенно жестче спектров прочих российских источников (ИБР-2, ПИК, ИР-8, ВВР-М, ИВВ-2М) в нем больше горячих и эпитепловых нейтронов, максимум тепловой (почти максвелловской) части спектра смещен в большие энергии эксперимент 2010 г. Монте-Карло моделирование 2005 г. Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

9 _________________________________________________________________________________________________ Нейтронный спектр ИН-06 в терминах волновых свойств нейтронов Нейтронный спектр ИН-06 в терминах волновых свойств нейтронов Для физики твердого тела важно: 1) соответствие длины волны нейтрона межплоскостным расстояниям в кристаллах 2) соответствие передаваемого при рассеянии нейтронами импульса квазиимпульсам элементарных возбуждений в твердых телах – фононов, магнонов, экситонов показан спектр на канале установки Кристалл Длина волны нейтронов λ (Å) Интенсивность (отсчеты) Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

10 _________________________________________________________________________________________________ Проверка наших возможностей по изменению нейтронных спектров Проверка наших возможностей по изменению нейтронных спектров Энергия нейтронов E (eV) Интенсивность (отсчеты) Кристалл – нет элементов нейтронной оптики Геркулес – установлен нейтронный суперзеркальный концентратор Горизонт – установлен искривленный суперзеркальный нетроновод Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

11 _________________________________________________________________________________________________ Сильные и слабые стороны источника ИН-06 Сильные стороны: спектр богат горячими и эпитепловыми нейтронами контроль над длительностью импульса (1÷100 µs, против 320 µs на ИБР-2) отсутствие делящихся материалов, легкий режим доступа единственный в стране источник, основанный на победившем в мире принципе генерации нейтронов для исследования конденсированных сред (SNS, JSNS, ISIS, ESS) географический фактор – близость институтов Москвы и окрестностей (пользователи), большое число вузов (подготовка кадров) Слабые стороны: пока не достигнуты проектные параметры по энергии протонов и току высокая стоимость сеанса (электроэнергия), малое число 10-дневных сеансов в год нет набора источников с разным спектром (холодный, тепловой, …) малое число физиков и инженеров, обслуживающих и создающих установки на ИН-06 Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

12 _________________________________________________________________________________________________ Выбор областей научных применений Выбор областей научных применений Физика твердого тела: сильнокоррелированные электронные системы, тяжелые фермионы, валентно-нестабильные системы, мультиферроики, сверхпроводники магнетики с локализованными моментами, магнетизм коллективизированных электронов фазовые переходы, в том числе при высоком давлении и в сильных магнитных полях динамические свойства конденсированных сред (твердых тел и soft matter) межмультиплетные переходы, эффекты кристаллического электрического поля Материаловедение, физика наносистем, физика Земли: водородсодержащие системы (геттеры водорода, полимеры, биологические объекты) высокопрочные сплавы, в том числе и с наноразмерными включениям тонкие пленки, в том числе магнитные соединения земной коры, мантии под высоким давлением термоэлектрические и магнитокалорические материалы материалы для ядерной энергетики Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

13 _________________________________________________________________________________________________ Нейтронные спектроскопия и дифракция, соотношение в мире и в РФ Нейтронные спектроскопия и дифракция, соотношение в мире и в РФ Institute Laue LangevinSNS, Oak Ridge (1 st stage)ISIS, RAL FRM-II, MunichJSNS, J-PARC (1 st stage)Сумма по РФ Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

14 _________________________________________________________________________________________________ Нейтронное рассеяние направление начальный импульс конечный импульс образец Полное сечение рассеяния дважды дифференциальное сечение рассеяния Законы сохранения Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

15 _________________________________________________________________________________________________ Динамика против статики Динамика против статики статическая корреляционная функция динамическая корреляционная функция информация о структуре, только косвенная информация о динамике прямая информация о динамике, механизме явлений, прямая связь с микроскопическими теориями может быть получена из нейтронной дифракции может быть получена из спектров неупругого рассеяния нейтронов (впервые это показал L. Van Hove в 1954 г.) Связь статических и динамических свойств Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

16 _________________________________________________________________________________________________ Спектрометр Гибрид Спектрометр Гибрид тип прибора: спектрометр по времени пролета прямой геометрии с монохроматором аналоги: FOCUS (SINQ), HYSPEC (SNS) область применения: магнитные возбуждения, динамика решетки основные параметры: переданная энергия -30 meV < E < 150 meV энерг. разрешение ~ 5% (оценка на основе М-К модели, зависит от Е) Расст. образец-детектор 4 m угол рассеяния для монохроматора: Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

17 _________________________________________________________________________________________________ Спектрометр Гибрид Спектрометр Гибрид принцип действия спектрометра прямой геометрии E-Q диаграмма для спектрометраГибрид при E i =100 meV рассмотрены и выбраны монохроматоры: PG002, Cu111 Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

18 _________________________________________________________________________________________________ Минимальный переданный импульс для установки Гибрид Минимальный переданный импульс для установки Гибрид Малые переданные импульсы (Q < 4 Å -1 ) необходимы для исследования магнитного вклада в рассеяние, поскольку магнитный формфактор быстро спадает с ростом Q Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

19 _________________________________________________________________________________________________ Разрешение в импульсном пространстве для измерений монокристаллов Разрешение в импульсном пространстве для измерений монокристаллов при использованнии позиционно чувствительных детекторов (разр. 2 см) при использованнии позиционно чувствительных детекторов (разр. 2 см) рассчитаны положения точек в обратном пространстве, соответствующим разным пикселям на детекторе и разным временным каналам для (монокристалл хрома с кристаллографическим направлением [100], повернутом на угол 90° относительно импульса падающих нейтронов k i. Плоскость рассеяния [100]/[010] ) Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

20 _________________________________________________________________________________________________ Карта интенсивности для монокристалла хрома – слой из 4х-мерного Карта интенсивности для монокристалла хрома – слой из 4х-мерного пространства Q-E, наши измерения на TOF приборе MAPS (ISIS) пространства Q-E, наши измерения на TOF приборе MAPS (ISIS) Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

21 _________________________________________________________________________________________________ Прямая геометрия против обратной для TOF спектроскопии Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

22 _________________________________________________________________________________________________ Компактный высокосветосильный спектрометр обратной геометрии Глобус Компактный высокосветосильный спектрометр обратной геометрии Глобус область применения: - динамика решетки, плотность фононных состояний - системы с жестким фононным спектром, ковалентные кристаллы - вибрационная спектроскопия относительное энергетическое разрешение: δE/E =2 ((δL/L 1 ) 2 + ((E f /E i ) δ ctg( ) (1+( L 2 /L 1 )(E i /E f ) 3/2 ) 2 ) 1/2 выгоднее иметь малое расстояние образец- детектор = вторую пролетную базу L 2 тип спектрометра: TOF прибор обратной геометрии с Be фильтром (E f < 5 meV) Переданные энергии до 1.5 eV Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

23 _________________________________________________________________________________________________ Подавление поглощения при переходе к эпитепловым нейтронам Подавление поглощения при переходе к эпитепловым нейтронам Сильно поглощают тепловые нейтроны следующие элементы: B, Cd, Gd, Eu, Sm, In, Er, их слабо поглощающие изотопы дороги и не всегда доступны. Дифрактометр Градус сделает возможным исследование многих интересных объектов при использовании естественных изотопных смесей Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

24 _________________________________________________________________________________________________ Дифрактометр Градус для сильно поглощающих нейтроны Дифрактометр Градус для сильно поглощающих нейтроны материалов и исследований в высоких магнитных полях материалов и исследований в высоких магнитных полях Разрешение по межплоскостному расстоянию тип дифрактометра: малоугловой дифрактометр область применения: - кристаллические структуры соединений B, Cd, Gd, Eu, Sm - магнитные структуры при высоких импульсных магнитных полях (до 60Тесла) Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011 для 10% разрешения по d

25 _________________________________________________________________________________________________ Пример – эксперимент на дифрактометре EXCED (KEK, Япония) Пример – эксперимент на дифрактометре EXCED (KEK, Япония) Из доклада M.Arai на ICANS-2005 Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

26 _________________________________________________________________________________________________ Динамика решетки геликоидального магнетика MnSi Динамика решетки геликоидального магнетика MnSi Phys. Rev. B 82 (2010) Phys. Rev. B 82 (2010) Линии – расчет в LDA приближении функционала плотности Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

27 _________________________________________________________________________________________________ Cкирмионы в MnSi Cкирмионы в MnSi Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011 УФН, Новости физики (1 июня 2009): В ряде экспериментов по нейтронному рассеянию были получены косвенные указания того, что распределение спинов электронов в соединении MnSi имеет нетривиальную топологическую структуру, состоящую из квазичастиц скирмионов. Скирмионы описываются киральными солитонными моделями, предложенными Скирмом в 1961 г. Предполагается, что в MnSi топологические возбуждения скирмионы возникают за счет спин-орбитального взаимодействия и образуют решетку в виде трех спиралей.

28 _________________________________________________________________________________________________ MnSi: обобщенная и парциальные плотности фононных состояний MnSi: обобщенная и парциальные плотности фононных состояний Для получения информации о высокоэнергетичной части фононного спектра MnSi нам пришлось использовать первопринципные модели. Лучшая модель была выбрана на основе нейтронных данных при E < 40 meV. На установке Глобус было бы возможно измерение полного фононного спектра, т.е. безмодельное решение проблемы. Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

29 _________________________________________________________________________________________________ MnSi – анализ макроскопических магнитных свойств MnSi – анализ макроскопических магнитных свойств полная теплоемкость C/T магнитный и электронный вклады в C/T Решеточный вклад в теплоемкость Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

30 _________________________________________________________________________________________________ Пример – Динамика решетки каркасно-кластерных (высших) боридов Пример – Динамика решетки каркасно-кластерных (высших) боридов Phys. Rev. B 82 (2010) Phys. Rev. B 82 (2010) Na Yb Cl B 12 (Me=Y, Zr, Hf, Gd÷Lu, U) Me (0,0,0) B ( ½,x,x), x 0.17 Symmetry group Fm3m YbB 12 - structure of UB 12 type (based on NaCl) Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

31 _________________________________________________________________________________________________ Lattice dynamics in REB 12 : model calculations & experiment Type of interacting atoms Number of coordination spheres Characteristic force constant, N/m RE-RE 10.5 RE-B 25 B-B Force - constant model Phonon dispersion curves along main symmetry directions q (r.l.u.) Energy (meV) PhDOS (meV -1 )

32 _________________________________________________________________________________________________ Плотность фононных состояний в додекаборидах Плотность фононных состояний в додекаборидах Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011 Ab-inito (DFT-LDA) calculations and experiment

33 _________________________________________________________________________________________________ Пример – изучение сильно поглощающих нейтроны веществ методом рентгеновской спектроскопии (синхротроны DESY и Сибирь-2) рентгеновской спектроскопии (синхротроны DESY и Сибирь-2) Zeitschrift für Kristallographie: Vol. 225, No. 11, pp (2010) Zeitschrift für Kristallographie: Vol. 225, No. 11, pp (2010) Эксперименты проведены в DESY, и на синхротроне Сибирт=рь-2 НИЦ КИ XANES, LIII край церия A – вклад Ce 3+ B – вклад Ce 4+ C – структурная особенность метода спектроскопии XANES Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

34 _________________________________________________________________________________________________ Температурная зависимость валентности для Gd/Pr x Ce 1-x Ni Температурная зависимость валентности для Gd/Pr x Ce 1-x Ni Pr x Ce 1-x NiGd x Ce 1-x Ni Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

35 _________________________________________________________________________________________________ -Разработаны проекты трех установок второй очереди Нейтронного комплекса ИЯИ РАН, которые существенно расширят его возможности в области ФКС и материаловедения. Проекты являются эскизными, основные конструктивные схемы и элементы выбраны и обоснованы, сделаны оценки важных параметров установок – разрешения (энергетического и по импульсу) -Выбраны направления нейтронных исследований, в которых ЛНИ ИЯИ будет конкурентоспособна в РФ и в мире - В ЛНИ ИЯИ ведутся работы в области нейтронного рассеяния на собственных установках и установках прочих нейтронных центров (зарубежные и РФ), что позволяет поддерживать достаточный уровень культуры нейтронного эксперимента Заключениe и планы на 2011 г. Заключениe и планы на 2011 г. Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

36 _________________________________________________________________________________________________ -Необходимо завершить Монте-Карло моделирование новых установок (программа MсCStas, в сотрудничестве с ПИЯФ НИЦ КИ), выбрать оптимальные геометрические параметры - Необходимо провести эксперименты с прототипами элементов новых установок: детекторов эпитепловых нейтронов, фокусирующих нейтронных концентраторов, экспериментально установить оптимальную толщину Be фильтра, размеры и геометрию его ячеек -Необходимо исследовать преимущества временной фокусировки на спектрометре Гибрид -Нужно накапливать и тестировать пластины монохроматора, исследовать их мозаичность -Нужны счетчики 3 He с высоким давлением газа Заключениe и планы на 2011 г. Заключениe и планы на 2011 г. Заседание Научного Совета ОФН РАН ФЭЧ ФЯФ ЯТ, 25 февраля 2011

37 _________________________________________________________________________________________________ СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! ИЯИ РАН, 25 февраля 2011