Рассеяние нейтронов на многослойных наноструктурах
|
Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1 Формализм Парратта 6
1.1.1 Анализ и применение 6
1.1.2 Две однородные среды 7
1.1.3 Форма кривой отражения для двух сред 8
1.1.4 N - стратифицированные однородные среды 10
1.2 Поляризационный анализ рассеяния тепловых нейтронов 11
1.2.1 Рабочая установка 13
1.1 Поляризация нейтронов магнитными зеркалами 15
1.1.1 Общие положения 15
1.1.2 Отражение нейтронов от границы двух бесконечных сред 16
1.1.3 Поляризующие многослойные периодические наноструктуры 17
1.2 Магнитная наноструктура Fe/Co 22
1.3 Нейтронный мультимонохроматор - биполяризатор на базе магнитной
многослойный структуры Fe/Co и новая схема для полного нейтронного поляризационного анализа 24
Глава 2. Постановка задачи и план исследования 27
2.1 Квантово - механическое представление 27
2.2 Выбор наиболее подходящих материалов для исследования рассеяния 29
2.3 Вывод соотношений для расчета параметров структуры
мультимонохроматора - биполяризатора 29
2.4 Изучение влияния на рассеяние нейтронов параметров намагниченности
материалов 30
2.5 Расчет коэффициента отражения и сравнение на разных углах 30
Глава 3. Расчет и реализация мультимонохроматора - биполяризатора 32
3.1 Материал структуры 32
3.2 Соотношения для расчетов толщин слоёв в мультимонохроматоре -
биполяризаторе 36
3.3 Расчет кривых коэффициента отражения и сравнение на разных углах
рассеяния 42
3.4 Исследование рассеяния нейтронов при разных параметрах
намагниченности 51
Заключение 59
Список использованной литературы 61
Приложение А - Код программы для расчета периода мультинаноструктуры . 63
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1 Формализм Парратта 6
1.1.1 Анализ и применение 6
1.1.2 Две однородные среды 7
1.1.3 Форма кривой отражения для двух сред 8
1.1.4 N - стратифицированные однородные среды 10
1.2 Поляризационный анализ рассеяния тепловых нейтронов 11
1.2.1 Рабочая установка 13
1.1 Поляризация нейтронов магнитными зеркалами 15
1.1.1 Общие положения 15
1.1.2 Отражение нейтронов от границы двух бесконечных сред 16
1.1.3 Поляризующие многослойные периодические наноструктуры 17
1.2 Магнитная наноструктура Fe/Co 22
1.3 Нейтронный мультимонохроматор - биполяризатор на базе магнитной
многослойный структуры Fe/Co и новая схема для полного нейтронного поляризационного анализа 24
Глава 2. Постановка задачи и план исследования 27
2.1 Квантово - механическое представление 27
2.2 Выбор наиболее подходящих материалов для исследования рассеяния 29
2.3 Вывод соотношений для расчета параметров структуры
мультимонохроматора - биполяризатора 29
2.4 Изучение влияния на рассеяние нейтронов параметров намагниченности
материалов 30
2.5 Расчет коэффициента отражения и сравнение на разных углах 30
Глава 3. Расчет и реализация мультимонохроматора - биполяризатора 32
3.1 Материал структуры 32
3.2 Соотношения для расчетов толщин слоёв в мультимонохроматоре -
биполяризаторе 36
3.3 Расчет кривых коэффициента отражения и сравнение на разных углах
рассеяния 42
3.4 Исследование рассеяния нейтронов при разных параметрах
намагниченности 51
Заключение 59
Список использованной литературы 61
Приложение А - Код программы для расчета периода мультинаноструктуры . 63
Актуальность темы заключается в том, что экспериментальная физика требует постоянного улучшения методов исследования. Это может быть, как увеличение точности измерения, так и усовершенствование самих методов эксперимента и исследования. Первоначальные методики с развитием научного знания устаревают и на их смену приходят новые, за частую новизна заключается в уменьшении размеров установки и упрощения проведения эксперимента для более быстрого и информативного получения данных. С развитием успехов атомной и квантовой физики нужда в новых инструментах для исследования вещества только увеличивается.
Одним из таких методов является полный нейтронный поляризационный анализ. Так как установка состоит из большого числа элементов некоторые, из них можно усовершенствовать в результате чего размеры установки сильно сократятся. В настоящее время для поляризации нейтронов в качестве элементов установки используют многослойные наноструктуры. Часто такая наноструктура представляет собой монохроматор - поляризатор для нейтронной волны и состоит из периодических магнитных и немагнитных пленок.
В полном нейтронном поляризационном анализе и в поляризационной рефлектометрии, а также в исследованиях малоуглового рассеяния такие структуры на сегодняшний день применяют в качестве зеркал поляризаторов, но для полного анализа в схеме установки включены приборы для изменения направления спина нейтрона так называемые спин - флипперы, а также громоздкие системы ведущих магнитных полей.
В работе [1] представлена возможность создания принципиально нового способа для получения пучка поляризованных нейтронов в широком спектральном диапазоне, с использованием магнитной наноструктуры называемой Нейтронный Мультимонохроматор - Биполяризатор (НММБ). Используя экспериментальные данные в этой ходе работы были получены
результаты для дальнейшего теоретического исследования
мультимонохроматора - биполяризатора. А также в этой работе представлен пример использования мультимонохроматора - биполяризатора в практических целях. А именно представлена новая схема нейтронного поляризационного анализа, исключающая один или оба спин - флиппера из схемы установки, и использовать на их месте мультимонохроматора - биполяризатора.
Новизна и уникальность заключается в том, что с помощью мультимонохроматора - биполяризатора в установке для полного поляризационного анализа, можно уменьшить размеры установки исключив из нее один или оба спин - флиппера что значительно сократит размеры, но при этом сохранит суть методики эксперимента неизменной.
Использование таких структур может быть использовано непосредственно в нейтронно - физических установках, в связи с запуском реактора ПИК в Петербургском институте ядерной физики НИЦ КИ.
В дальнейшем будет представлен теоретический поиск и расчет структур и их параметров в соответствие с теоретическими обоснованиями для применения в данном методе.
Целью настоящей работы являлось на основе теоретических и экспериментальных данных подобрать тип структуры и материалы слоёв, из которых структура и будет состоять. На основе исследований выявить закономерности поляризации и монохроматизации пучка нейтронов исследованной структурой, а также выявления интересных особенностей, связанных с выбранным типом структуры. Рассчитать параметры, при которых наноструктура будет обеспечивать требованиям в экспериментальной установке. И в конечном итоге предложить модель модернизированного нейтронно - оптического элемента мультимонохроматора - биполяризатора на основе полученных результатов.
Одним из таких методов является полный нейтронный поляризационный анализ. Так как установка состоит из большого числа элементов некоторые, из них можно усовершенствовать в результате чего размеры установки сильно сократятся. В настоящее время для поляризации нейтронов в качестве элементов установки используют многослойные наноструктуры. Часто такая наноструктура представляет собой монохроматор - поляризатор для нейтронной волны и состоит из периодических магнитных и немагнитных пленок.
В полном нейтронном поляризационном анализе и в поляризационной рефлектометрии, а также в исследованиях малоуглового рассеяния такие структуры на сегодняшний день применяют в качестве зеркал поляризаторов, но для полного анализа в схеме установки включены приборы для изменения направления спина нейтрона так называемые спин - флипперы, а также громоздкие системы ведущих магнитных полей.
В работе [1] представлена возможность создания принципиально нового способа для получения пучка поляризованных нейтронов в широком спектральном диапазоне, с использованием магнитной наноструктуры называемой Нейтронный Мультимонохроматор - Биполяризатор (НММБ). Используя экспериментальные данные в этой ходе работы были получены
результаты для дальнейшего теоретического исследования
мультимонохроматора - биполяризатора. А также в этой работе представлен пример использования мультимонохроматора - биполяризатора в практических целях. А именно представлена новая схема нейтронного поляризационного анализа, исключающая один или оба спин - флиппера из схемы установки, и использовать на их месте мультимонохроматора - биполяризатора.
Новизна и уникальность заключается в том, что с помощью мультимонохроматора - биполяризатора в установке для полного поляризационного анализа, можно уменьшить размеры установки исключив из нее один или оба спин - флиппера что значительно сократит размеры, но при этом сохранит суть методики эксперимента неизменной.
Использование таких структур может быть использовано непосредственно в нейтронно - физических установках, в связи с запуском реактора ПИК в Петербургском институте ядерной физики НИЦ КИ.
В дальнейшем будет представлен теоретический поиск и расчет структур и их параметров в соответствие с теоретическими обоснованиями для применения в данном методе.
Целью настоящей работы являлось на основе теоретических и экспериментальных данных подобрать тип структуры и материалы слоёв, из которых структура и будет состоять. На основе исследований выявить закономерности поляризации и монохроматизации пучка нейтронов исследованной структурой, а также выявления интересных особенностей, связанных с выбранным типом структуры. Рассчитать параметры, при которых наноструктура будет обеспечивать требованиям в экспериментальной установке. И в конечном итоге предложить модель модернизированного нейтронно - оптического элемента мультимонохроматора - биполяризатора на основе полученных результатов.
Проведя теоретическое исследование рассеяния нейтронов на многослойных периодических наноструктурах, были выявлены закономерности распределения брэгговских пиков первого порядка для отраженной (+) и (-) спиновой компоненты нейтронного пучка для различных комбинаций материалов и толщин слоёв. Выполненные расчеты на основе этих закономерностей позволили теоретически предсказать, как будет вести себя нейтронный пучок, отражаясь от мультинаноструктуры.
Так же на основе исследования была получена модель для расчета мультимонохроматора - биполяризатора (НММБ) на основе нескольких периодических наноструктур. Проведены расчеты параметров НММБ по полученной модели, и рассчитав кривые коэффициента отражения для двух НММБ на основе пар материалов (Fe/Co) и (Co/Si) по этим параметрам. На основе этих результатов и пересчета кривых в зависимость от длины волны и угла скольжения, был выявлен факт подтверждения расчетов, как и было изначально задумано, совпадения пиков отражения для противоположных спиновых компонент отраженного от таких структур нейтронного пучка.
Так же проведя исследование отражения нейтронного пучка от периодических наноструктур (Fe/Co) и (Co/Si) были выявлены эффекты схождения пиков отражения при уменьшении абсолютного значения относительной намагниченности слоёв, что может помочь в дальнейших исследованиях рассеяния нейтронов на многослойных периодических наноструктурах и в исследовании НММБ в частности, так как при их расчетах участвует значения плотности длины рассеяния, которая изменяется при изменении относительной намагниченности слоёв, и вследствие этого меняется картина рассеяния нейтронного пучка. Особенно заметные изменения наблюдались при перемагничивании структуры Co/Si, где в области близкой к В = 0 пики значительно уменьшались, а при значениях В/Втах = ± 0.0409, одна из отраженных спиновых компонент вовсе исчезала.
Получив теоретические данные о рассеянии нейтронов на рассчитанных наноструктурах НММБ на основе пар чередующихся слоёв (Fe/Co) и (Co/Si), можно предложить их в качестве поляризаторов и анализаторов для полного нейтронного поляризационного анализа. Так как ожидаемый эффект был подтвержден, для получения полного анализа интенсивностей (++, +-, -+, --) поляризационного анализа можно использовать НММБ отклоняя его на два угла скольжения, что, как было выяснено, позволяет получить совпадения (+) и (-) спиновой составляющей для каждой нейтронной длины волы из набора из нескольких длин волн. Это имеет не только теоретический характер, но и прикладную значимость исследования, так как с помощью НММБ можно существенно уменьшить размеры установки полного поляризационного анализа исключив из нее спин - флипперы, и появляется возможность создания компактной ячейки полного поляризационного анализа с использованием только одной магнитной системы - магнитной системы образца .
И, таким образом, благодаря новой схеме, предложенной в статье [1] и рассчитанным наноструктурам, размер установки для поляризационного анализа можно существенно сократить.
Отдельно выражаю слова благодарности научному руководителю Сыромятникову Владиславу Генриховичу за предоставление темы выпускной квалификационной работы, помощь в расчетах и анализе результатов, а также дополнительного разъяснения материала и помощи в оформлении работы.
Так же на основе исследования была получена модель для расчета мультимонохроматора - биполяризатора (НММБ) на основе нескольких периодических наноструктур. Проведены расчеты параметров НММБ по полученной модели, и рассчитав кривые коэффициента отражения для двух НММБ на основе пар материалов (Fe/Co) и (Co/Si) по этим параметрам. На основе этих результатов и пересчета кривых в зависимость от длины волны и угла скольжения, был выявлен факт подтверждения расчетов, как и было изначально задумано, совпадения пиков отражения для противоположных спиновых компонент отраженного от таких структур нейтронного пучка.
Так же проведя исследование отражения нейтронного пучка от периодических наноструктур (Fe/Co) и (Co/Si) были выявлены эффекты схождения пиков отражения при уменьшении абсолютного значения относительной намагниченности слоёв, что может помочь в дальнейших исследованиях рассеяния нейтронов на многослойных периодических наноструктурах и в исследовании НММБ в частности, так как при их расчетах участвует значения плотности длины рассеяния, которая изменяется при изменении относительной намагниченности слоёв, и вследствие этого меняется картина рассеяния нейтронного пучка. Особенно заметные изменения наблюдались при перемагничивании структуры Co/Si, где в области близкой к В = 0 пики значительно уменьшались, а при значениях В/Втах = ± 0.0409, одна из отраженных спиновых компонент вовсе исчезала.
Получив теоретические данные о рассеянии нейтронов на рассчитанных наноструктурах НММБ на основе пар чередующихся слоёв (Fe/Co) и (Co/Si), можно предложить их в качестве поляризаторов и анализаторов для полного нейтронного поляризационного анализа. Так как ожидаемый эффект был подтвержден, для получения полного анализа интенсивностей (++, +-, -+, --) поляризационного анализа можно использовать НММБ отклоняя его на два угла скольжения, что, как было выяснено, позволяет получить совпадения (+) и (-) спиновой составляющей для каждой нейтронной длины волы из набора из нескольких длин волн. Это имеет не только теоретический характер, но и прикладную значимость исследования, так как с помощью НММБ можно существенно уменьшить размеры установки полного поляризационного анализа исключив из нее спин - флипперы, и появляется возможность создания компактной ячейки полного поляризационного анализа с использованием только одной магнитной системы - магнитной системы образца .
И, таким образом, благодаря новой схеме, предложенной в статье [1] и рассчитанным наноструктурам, размер установки для поляризационного анализа можно существенно сократить.
Отдельно выражаю слова благодарности научному руководителю Сыромятникову Владиславу Генриховичу за предоставление темы выпускной квалификационной работы, помощь в расчетах и анализе результатов, а также дополнительного разъяснения материала и помощи в оформлении работы.
Подобные работы
- Комплементарное применение рассеяния нейтронного и
синхротронного излучений для исследования магнитных
металлических наноструктур
Диссертация , физика. Язык работы: Русский. Цена: 5740 р. Год сдачи: 2017 - Исследование многослойных наноструктур методом нейтронной рефлектометрии
Дипломные работы, ВКР, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4350 р. Год сдачи: 2022 - КОМПЛЕМЕНТАРНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАССЕЯНИЯ НЕЙТРОННОГО
И СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
МАГНИТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР
Авторефераты (РГБ), физика. Язык работы: Русский. Цена: 2700 р. Год сдачи: 2017