-з-
2.2.6 Влияние больших лоз радиации на отражательную способность суперзеркала FeCoV/TiZr ................................................. 59
2.3 Суперзеркало NiMo/Ti (m = 2)........................................ Gl
2.3.1 Характеристики суперзеркала, NiMo/Ti............................ 63
2.3.2 Влияние радиации и а отражательную способность суперзеркала NiMo/Ti................................................................ 65
2.4 Выводы.............................................................. 66
Глава III. Численный метод расчёта нейтронных потоков на выходе нейтроноводных систем........................................................... 69
3.1 Описание процедуры вычислений....................................... 70
3.2 Влияние различных типов иеидеалыюстей на пропускание нейтроноводной системы........................................................... 74
3.2.1 Точность вычислений п влияние ’’изломанности” на пропускание системы ................................................................. 75
3.2.2 Влияние отличия коэффициент отражения от единицы на нейтронные потерн............................................................. 78
3.2.3 Влияние неточности стыковки оптических секций на потери нейтронного потока..................................................... 80
3.2.4 Влияние волнистости отражающих стенок на пропускание системы . 82
3.3 Выводы.............................................................. 85
Глава IV. Использование суперзеркальиых покрытий. Нейтроноводная
система для PSI, Виллиген, Швейцария.............................. 86
4.1 Выбор ширины микроканала многоканального поляризатора............... 88
4.2 Оптимизация геометрии фокусирующего нейтроновода.................... 90
4.3 Измерения параметров пучка холодных поляризованных нейтронов .... 92
4.4 Выводы........................................................... 93
Заключение по результатам диссертационной работы............................. 95
Список литературы............................................................ 99
Введение
-4-
Пучки поляризованных нейтронов применяются при исследовании магнитных структур в кристаллах, магнитных неоднородностей (критические флуктуации магнитной плотности, спиновые волны, домены и др.) и позволяют наблюдать эффекты, не проявляющиеся при использовании неноляризованных нейтронных пучков. Как известно, точность измерений эффектов, связанных с рассеянием поляризованных нейтронов, пропорциональна интенсивности пучка и квадрату его поляризации. Следовательно, для повышения точности измерений необходимо увеличивать интенсивность нейтронных пучков и их поляризацию, принимая меры к снижению фона. Оптический способ поляризации пучка является наиболее светосильным. Неполяризующие нейтроноводы [1, 2, 3, 4) нашли широкое применение в качестве формирователей нейтронных пучков для проведения физических экспериментов в условиях низкого фона, который создается быстрыми нейтронами и 7—квантами. Тепловые и холодные нейтроны отклоняются нейтроноводной системой, а быстрые нейтроны и 7-кванты проходят сквозь зеркала и поглощаются в защите. Поляризующие нейтроноводы (5, б, 7| имеют магнитное покрытие, что позволяет получать на выходе системы пучки поляризованных нейтронов. Следует отметить, что, оптический способ формирования пучков поляризованных нейтронов, с применением нейтроноводной техники имеет некоторые преимущества по сравнению с альтернативным методом, использующим фильтры 3Не |8, 9). Несмотря на то, что 3Нс фильтры имеют хорошее пропускание для энитермальных нейтронных пучков большой расходимости, время непрерывной работы такого фильтра составляет ~100 ч, что несоизмеримо ниже времени непрерывной работы оптических поляризаторов. Если к тому же учесть финансовые затраты на постоянное обслуживание гелиевых фильтров, то преимущества оптического метода проявляются ещё больше.
Интенсивность нейтронного пучка, отражённого от намагниченного зеркала, пропорциональна критическому углу отражения поляризующего покрытия 7С, поэтому увеличение критического угла покрытия напрямую связана с ростом интенсивности нейтронных пучков. Увеличение критического угла покрытия достигается формированием искусственной сверхрсшстки, или так называемого суперзеркала
110, 11, 12, 13, 14, 15). которое образуется поочерёдным нанесением слоёв сплавов двух различных материалов в вакуумных установках. В принципе работы этих покрытий лежит брэгговское отражение нейтронов от пространственно периодических межслойных границ. Постепенное изменение периода такой слоистой структуры позволяет, за счёт дифракции, увеличить область полного отражения нейтронов в несколько раз по сравнению с критическим углом отражения монослоя никеля. Критический угол отражения суперзеркал принято измерять в единицах критического угла отражения монослоя природного никеля т. В настоящее время поляризующие суперзеркала Co/Ti, FeCoV/TiN, FeCo/Si, Fe/Al, Fe/Ag [36,17, 18, 19, 20, 21, 22) и неполяризующие суперзеркала NiC/Ti, Ni-N-O/Ti-V, NiC/TiH [23, 24, 19, 25) имеют критический угол отражения в два раза превышающий критический угол отражения природного никеля (т = 2). Разработанное в ПИЯФ суперзеркальное поляризующее покрытие FeCoV/TiZr [26, 27, 28, 29) (m = 2) позволяет увеличить интенсивность поляризованных нейтронных пучков, а применение поглощающего нейтроны подслоя TiZrGd позволяет получить поляризацию близкой к единице в более широком спектральном диапазоне длин волн, чем однослойное покрытие FeCo на подслое TiGd (30, 31).
В идеальном случае оптимизированное по химическому составу суперзеркальное покрытие должно полностью поляризовать нейтронный пучок, поскольку оно прозрачно для нейтронов со спином, ориентированным против намагниченности магнитных слоёв суперзеркала. Эти нейтроны, проходя через всю структуру без отражения, поглощаются в подслое TiZrGd. Однако на практике, как показано в данной работе, такие факторы как интердиффузные области, магнитные неоднородности, расположенные на межслойных границах, а также немагнитная окисная плёнка, образующаяся на поверхности структуры, ограничивают поляризующую эффективность суперзеркала FeCoV/TiZr. 13 работе (32) при исследованиях монослоёв кобальта было замечено, что поляризующая эффективность кобальтового зеркала в течение 10 месяцев эксплуатации падала на 30 %. В качестве объяснения этого эффек т высказывалось предположение об образовании немагнитного окисного слоя на поверхности плёнки кобальта. Для случая суперзеркала, в котором используются два сплава, встаёт дополнительный вопрос о
том. какой из двух материалов должен наноситься последним. Интердиффузные немагнитные области впервые наблюдались в поляризующем суперзеркале Fe/Si (33, 34), а затем в многослойных структурах Fe/Zr |35] и Co/Ti (36, 37). Толщина этих немагнитных областей составляла 6 — 12 А. Изучение влияния интердиффузных областей на поляризующую эффективность суперзеркала FeCoV/TiZг ранее не проводилось. Супер-зеркало FeCoV/TiZr (т — 2) имеет около 120 межслойных границ, которые являются неидеальными. Поэтому актуальной задачей на данный момент начнется исследование магнитного состояния неоднородностей, расположенных на межслойных границах. В данной работе впервые экспериментально было показано, что на межслойных границах FeCoV-TiZr расположены трудно намагничиваемые магнитные неоднородности. Была также измерена величина деполяризации нейтронного пучка при отражении от суперзеркала FeCoV/TiZr.
Одним из способов повышения плотности нейтронного потока на образце является фокусировка нейтронных пучков. Фокусирующие неполяризующие нейтроноводы или конденсоры [38, 39, 40, 41, 42, 43) нашли широкое применение в технике нейтронного эксперимента. Однако до последнего времени фокусировались только пучки иено-ляризованных нейтронов, с помощью магнитными суперзеркал Ni/Ti. Для фокусировки же поляризованных пучков необходимо иметь немагнитное сунерзеркало. Поэтому в ПІІЯФ было разработано немагнитное суперзеркальное покрытие NiMo/Ti |44, 28) (т =2), которое впервые использовалось в фокусирующем устройстве на пучке нейтронов в секторе 51 швейцарскою источника, нейтронов SINQ (45).
Стабильность интенсивности и поляризации нейтронного пучка во времени определяется стабильностью поляризующих и отражательных свойств суперзеркально-го покрытия. Исследования радиационного воздействия на периодические структуры NiC/Ti ранее проводились в работе (4б|, в которой было показано, что поток тепловых нейтронов 3-Ю19 нем-2 существенно не ухудшает отражательные свойства структуры. В данной работе впервые изучалось влияние радиационного воздействия и влияние внешней среды на свойства суперзеркальных покрытий FeCoV/TiZr и NiMo/Ti (47). Влияние радиационною воздействия на отражательные и поляризующие свойства су-
-7-
перзеркал наиболее важно для тех нейтронно оптических компонентов, которые расположены в непосредственной близости от нейтронного источника и поэтому подвергаются наиболее сильному воздействию радиации.
При формировании высокоинтенсивных пучков поляризованных нейтронов необходимо рассчитывать и прогнозировать нейтронные потоки на выходе современных нейтронно-оптических систем, которые отличаются повышенной степенью сложности. Они включают нейтроноводы-коллиматоры, предназначенные для транспортировки и угловой коллимации нейтронных пучков, транспортные нейтроноводы, предназначенные для транспортировки нейтронов на большие расстояния, нейтроноводы-фильтры, предназначенные для фильтрации тепловых и холодных нейтронов от 7—фона и быстрых нейтронов, которые реализуются в одноканальном и многоканальном варианте, фокусирующие нейтроноводы, предназначенные для увеличения плотности потока нейтронов на образце, нейтроноводы-поляризаторы, предназначенные для поляризации нейтронных пучков, которые также реализуются в одноканальном и многоканальном варианте. В каждом из этих устройств применяются свои оптические покрытия, в нейтроноводе-фильтре может применяться до трёх различных типов покрытий. Всё это требует нового подхода к проблеме численного моделирования сложных нейтроноводных систем. Точное выявление факторов ослабления нейтронного потока в нейтроннооптической системе на этапе проектирования является сложной и важной задачей. Поэтому численные методы расчета нейтроноводных систем [48, 49, 50, 51, 52] становятся в последнее время всё более актуальными. В данной работе эта задача была решена с использованием оригинального способа аппроксимации геометрии канала при помощи коротких прямых секций [53]. Это упростило процедуру трассировки (расчёта нейтронных траекторий вдоль всего оптического тракта), а также ввод геометрических параметров системы и свойств оптических покрытии каждого оптического устройства нейтроноводной системы. В качестве геометрических параметров в программу вводились геометрические неидеалыюсти иейтроноводного канала, и делались оценки потерь нейтронного потока. Такой способ численного расчёта пропускания нейтроноводной системы ранее другими авторами не рассматривался. Метод численного расчёта был ис-
—8-
пользован для оптимизации оптических компонентов [54| нейтронного оборудования, установленного в секторе 51 швейцарского источника нейтронов SINQ |45).
Целью диссертационной работы является формирование высокоинтенсивных нейтронных пучков поляризованных нейтронов нейтроноводами с суперзеркальными отражающими покрытиями. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи.
• Исследование влияния интердиффузных областей, трудно намагничиваемых магнитных неоднородностей, расположенных на межслойных границах, немагнитной окисной плёнки, а также влияния радиации на поляризующую эффективность сунерзеркала FeCoV/TiZr.
• Создание немагнитного NiMo/Ti сунерзеркала и исследование его отражающих свойств до и после радиационного воздействия.
• Оптимизация геометрических параметров сложных нейтроно-оптических систем с помощью численных расчётов нейтронных потоков на выходе системы, которые учитывают отражающие и поляризующие свойства реальных зеркал, отклонение геометрических размеров реальной системы от идеальной, размер и удаление нейтронного источника от входа нейтроноводной системы, а также спектр входного пучка.
В работе исследовались поликристаллические плёнки ІЧтіМо, Ті, FeCoV и TiZr, приготовленные методом магнитрониого напыления. Толщины слоев, шероховатость подложек и верхних границ плёнок контролировались на рентгеновском рефлектометре. Химический состав образцов контролировался XTR.FA (X-ray total reflection fluorescence analysis) и RBS (Rutherford Back Scattering) методиками. Для магнитных измерений, кроме поляризационной нейтронной рефлектометри и, использовалась магнитометрия и трёхмерный поляризационный анализ прошедшего через образец нейтронного пучка. Основные научные результаты были получены на нейтронном рефлектометре поляризованных нейтронов, установленном на 13 пучке реактора ВВР-М в Гатчине, и нейтронных рефлектометрах CRISP (ISIS, Англия) и V6 (HMI,
—9-
Германия).
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
• Развитие методики исследования доменной структуры с использованием нейтронной рефлектометрии, «основе которой лежит одновременный анализ поляризации отраженных нейтронов и анализ интенсивности диффузного (малоуглового) рассеяния.
• Исследование процессов намагничивания и доменной структуры монослоёв ГеСоУ, а также слоев ИеСоУ в составе периодических и сунерзеркальных структур ГеОоУ/ПХг.
• Исследование влияния окисного слоя и интердиффузных областей на поляризующую эффективность суперзеркала Р'еСоУ/Т^г.
• Исследование отражающей способности немагнитного суперзеркального покрытия ММо/ТЧ перед и посте радиационного облучения.
• Численный метод расчёта нейтронных потоков на выходе нейтроноводных систем, основанный на аппроксимации нейтроноводного тракта прямыми короткими секциями и упрощающий численное описание и процедуру трассировки сложных систем.
• Создание оборудования для формирования высокоинтенсивного пучка поляризованных нейтронов для проведения фундаментальных исследований по физике конденсированного состояния.
- Київ+380960830922