Кристаллография, 2021, T. 66, № 2, стр. 191-213

Приборная база реактора ПИК

М. В. Ковальчук 1, В. В. Воронин 2*, С. В. Григорьев 2, А. П. Серебров 2

1 Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Москва, Россия

2 Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”
Гатчина, Россия

* E-mail: Voronin_VV@pnpi.nrcki.ru

Поступила в редакцию 05.06.2020
После доработки 05.06.2020
Принята к публикации 13.06.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлен обзор программы создания приборной базы реакторного комплекса ПИК, выполняемой в соответствии с Указом Президента РФ № 356 от 25 июля 2019 г. и ФНТП развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 гг. Общая концепция и планы по созданию приборной базы изложены в четырехтомнике “Реакторный комплекс ПИК”, вышедшем в 2015 г. под редакцией В.Л. Аксенова и М.В. Ковальчука.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Инструментальная программа по физике конденсированного состояния и биофизике

1.1. Дифрактометрический комплекс

1.2. Спектрометрический комплекс

1.3. Комплекс малоугловых дифрактометров

1.4. Рефлектометрический комплекс

2. Программа исследований по физике элементарных частиц и ядерной физике

2.1. Высокоинтенсивный источник УХН на основе сверхтекучего гелия на базе реактора ПИК

2.2. Перспективные эксперименты по физике частиц на реакторе ПИК

2.3. Перспективные эксперименты по ядерной физике на реакторе ПИК

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, нейтроны как инструмент исследования материи и законов природы имеют ряд существенных преимуществ перед другими методами. Эти преимущества заключаются, во-первых, в широком диапазоне измеряемых расстояний и времен, во-вторых, в идеальном зонде для исследования магнетизма, в-третьих, в высокой чувствительности и селективности по отношению к химическим элементам и изотопам, в-четвертых, в глубоком проникновении в исследуемый материал. Кроме того, нейтрон является очень удобным объектом для исследований фундаментальных взаимодействий, поскольку он участвует во всех их видах, известных в настоящее время (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное). Возможности нейтронных методов исследования различных объектов представлены на рис. 1.

Рис. 1.

Сравнение объектов и их масштабов, исследуемых различными методами нейтронного рассеяния.

Во второй половине ХХ века в СССР особое внимание уделяли строительству нейтронных научно-исследовательских центров, и целая плеяда замечательных ученых были вовлечены в развитие техники рассеяния нейтронов. Опыт использования техники рассеяния нейтронов был закреплен и унаследован научными школами Российской Федерации. В XXI веке области использования нейтронов по-прежнему охватывают самые современные проблемы фундаментальной физики и вопросы технических применений нейтронов, однако главное направление нейтронных исследований постепенно перемещается в биологические науки, физику и химию наноструктурных и так называемых мягких материалов (полимеры, коллоиды и другие материалы), исследования веществ и методов целевой доставки лекарств.

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт” (НИЦ КИ) является самым передовым научным центром России, использующим современные крупные исследовательские физические установки, в первую очередь источники синхротронного излучения и нейтронов, в науках о жизни. В НИЦ КИ в Москве в последние годы был создан междисциплинарный центр – Центр нано, био, информационных и когнитивных наук (НБИКС-Центр) мирового уровня. В ПИЯФ НИЦ КИ (Гатчина) с 1960-х годов успешно работает Отделение молекулярной и радиационной биологии.

Наиболее эффективное использование источника нейтронного излучения возможно, если высокоэффективные пучки нейтронов, выводимые из высокопоточного реактора, доставляются без потерь к ультрасовременным экспериментальным установкам, позволяющим проводить самые передовые исследования во всех перечисленных выше областях. Поэтому обе составляющие, т.е. высокая производительность самого источника нейтронов и современный уровень приборной базы, имеют равное значение для успешной реализации научных программ МЦНИ на реакторе ПИК (пучковый исследовательский корпусной). Таким образом, один из основных принципов общей концепции создания экспериментальных станций – совершенствование приборной базы – должен “идти рука об руку” с совершенствованием источника.

Работы по оснащению реактора ПИК комплексом современного оборудования осуществляются в рамках двух проектов: “Реконструкция лабораторного комплекса научно-исследовательского реакторного комплекса ПИК” (сроки выполнения 2017–2020 гг.), “Создание приборной базы реакторного комплекса ПИК” (сроки выполнения 2019–2024 гг.). В результате реализации этих проектов будет создан научно-исследовательский комплекс, оснащенный 25 нейтронными станциями, двумя источниками холодных нейтронов, источником горячих нейтронов и источником ультрахолодных нейтронов (рис. 2, 3), что позволит удовлетворить запросы на нейтронные исследования как со стороны научно-технического комплекса России, так и со стороны значительной части европейских партнеров на долгие годы вперед. Десять нейтроноводных систем (рис. 2) позволяют транспортировать нейтроны к 17 экспериментальным установкам, расположенным в нейтроноводном зале в низкофоновых условиях. Всего в трех экспериментальных залах комплекса планируется обеспечить до 50 позиций на пучках, на которых одновременно могут вести эксперименты различные исследовательские группы.

Рис. 2.

Схема размещения экспериментальных установок в зале горизонтальных каналов и нейтроноводном зале.

Рис. 3.

Зал наклонных каналов.

1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И БИОФИЗИКЕ

1.1. Дифрактометрический комплекс

Точное знание атомной структуры материалов является основой для правильного понимания их свойств и дает возможность целенаправленно изменять эти свойства. Традиционно к областям исследований конденсированных сред, в которых использование дифракции нейтронов наиболее эффективно, относят структурный анализ соединений, состоящих из легких и тяжелых атомов (гидриды, оксиды), соединений с близкими по номеру элементами (сплавы, интерметаллиды), биологических соединений с применением изотопического контрастирования (в основном с заменой водорода на дейтерий) их отдельных фрагментов и анализ магнитной структуры кристаллов, т.е. определение величины и направления атомных магнитных моментов (ММ). Во всех перечисленных случаях рентгеновское излучение “не видит” деталей, необходимых для решения структуры. Важным фактором является малое (по сравнению с рентгеновскими лучами) поглощение нейтронов в среде. Как следствие, глубина проникновения нейтронов в вещество может быть довольно большой (сантиметры), что позволяет получать более адекватную структурную информацию и изучать микроструктуру объемных материалов и инженерных изделий.

За последнее время произошло резкое расширение как областей применения метода дифракции нейтронов, так и его экспериментальных возможностей. К традиционным направлениям (физика, химия, материаловедение) добавились молекулярная биология, фармакология, геология, инженерные науки. Общий технический прогресс и новые идеи в конструкции дифрактометров, формировании нейтронных пучков и создании детекторных систем позволили достичь таких возможностей в нейтронодифракционных исследованиях, которые еще 15–20 лет тому назад казались немыслимыми. В настоящее время возможны определение ab initio структуры кристаллов, уточнение сложной структуры как обычных, так и наноматериалов, анализ локальных искажений структуры с точностью ∼0.1 Å, анализ переходных процессов с характерными временами на уровне 10 с, работа с образцами, объем которых составляет ∼1 мм3.

Уникальной областью применения нейтронной дифракции является исследование магнитной структуры кристаллов на атомном уровне, т.е. пространственного распределения плотности ММ, в простейшем случае – определение величины и направления атомных ММ. Магнитное рассеяние нейтронов определяется величиной эффективного ММ (суммой орбитального и спинового у электронов в оболочке атома), т.е. зависит от угла рассеяния. Использование поляризованных нейтронов позволяет измерять очень малые (до сотых долей магнетона Бора) ММ атомов.

Среди наиболее важных достижений, полученных с использованием дифракции нейтронов, можно отметить прямое доказательство существования различных типов магнитного упорядочения, доказательство фундаментальной важности водородных связей в полимерах и органических макромолекулах, выяснение тонких деталей структуры высокотемпературных сверхпроводников, обнаружение различных типов магнитного, зарядового и орбитального упорядочения в сложных оксидах переходных металлов и многое другое. С примерами исследований, выполненных с помощью порошковой и монокристальной дифракции нейтронов, можно ознакомиться в [1, 2].

D1 – порошковый дифрактометр нейтронов высокого разрешения предназначен для структурных исследований с помощью упругого рассеяния нейтронов на постоянной длине волны с последующим полнопрофильным анализом измеренных нейтронограмм. Дифрактометр D1, с одной стороны, является наиболее традиционным по решаемым задачам и предназначен для исследования на мягком монохроматическом нейтронном излучении кристаллических (органических, неорганических, комплексных) соединений, магнитных структур и температурной эволюции кристаллических и магнитных структур объектов с параметром элементарной ячейки несколько единиц или несколько десятков ангстрем, т.е. подавляющего большинства неорганических материалов (в том числе наноматериалов и многослойных материалов). С другой стороны, благодаря высокому разрешению и большой интенсивности потоков нейтронов дифрактометр D1 способен решать такие фундаментальные задачи кристаллографии, как решение аb initio структуры с использованием порошков [3, 4].

D1 хорошо подходит для ритвельдовского анализа относительно больших структур, таких как цеолиты с адсорбированными молекулами, фуллерены и фуллереноподобные соединения, а также для решения структур некоторых “квазикристаллических” новых материалов.

Дифрактометр D1 размещен на пучке тепловых нейтронов из горизонтального экспериментального канала ГЭК-6' (рис. 4). Идея установки D1 состоит в использовании наиболее светосильной части спектра нейтронного излучения, реализации переменной длины волны, максимальной фокусировке и концентрации нейтронного пучка на образцах разных размеров, обеспечения максимального возможного разрешения при достаточно высокой светосиле и большой скорости получения информации за счет использования сложной широкоапертурной и высокоэффективной детекторной системы.

Рис. 4.

Схема порошкового дифрактометра высокого разрешения D1 на канале ГЭК-6': 1 – нейтроновод, 2 – монохроматор, 3 – оптический коллиматор, 4 – стол образца, 5 – коллимационная система детектора, 6 – детектор.

Параметры дифрактометра D1: угол выхода монохроматора (2θм) не менее 125°; длина волны нейтронов после монохроматора λ = 1.2–2.5 Å; рабочий шаг сканирования 2θi 0.05°; разрешение дифрактометра Δd/d < 3 × 10–3 (при эксплуатации возможно улучшение в несколько раз); угловой диапазон сканирования 2θ 4°–168°; максимальный переданный импульс Qmax = 12.5 Å–1; доступная область межплоскостных расстояний d 0.5–15 Å; сечение пучка нейтронов в позиции образца (10 × 10)–(10 × 50) мм2.

D3 – порошковый дифрактометр высокой светосилы. Порошковый дифрактометр тепловых нейтронов D3 является прибором высокой светосилы и предназначен для исследований атомной и магнитной структуры разных соединений [3, 4]. Эксперименты, которые требуют высокой интенсивности, можно разделить на две части. Во-первых, это эксперименты, для которых нужна высокая скорость измерений – эксперименты с высоким временным разрешением, т.е. с малым временем измерения. В частности, это исследования in situ и in operando, для которых важна скорость сбора данных, чтобы определить быстро исчезающих предшественников или посредников реакций. Быстрый сбор данных необходим для исследований фазовых переходов (ФП), чтобы наблюдать эволюцию структуры при изменениях температуры, давления, магнитных и/или электрических полей. Вторая категория включает в себя эксперименты, когда доступно крайне малое количество образца (иногда всего 10 мг). Другие примеры экспериментов, для которых важна высокая светосила, – это структурные исследования водородсодержащих образцов, слабые эффекты в фундаментальной физике магнетиков, в функциональных материалах и многое другое.

Основные параметры дифрактометра D3: углы кристалла-монохроматора 44.22° и 90°; длина волны нейтронов, падающих на образец, λ = 2.52, 1.54, 1.36, 1.28 Å; рабочий шаг сканирования 0.05°; разрешение по межплоскостному расстоянию Δd/d ∼ 2 × 10–3; угловой диапазон сканирования 2θ 4°–132°; сечение пучка нейтронов в позиции образца 8 × 30 мм2, для детектора предлагается использовать линейные позиционно-чувствительные гелиевые счетчики (например, Reuter-Stokes 975 × 8.4 мм).

DC1 – четырехкружный дифрактометр тепловых нейтронов предназначен для исследования атомной и магнитной структуры [3, 4]. Дифракция на монокристалле позволяет наблюдать более тонкие особенности его структуры, недоступные для дифракции на порошке или поликристалле. Например, можно надежно измерять очень слабые брэгговские отражения или слабое диффузное рассеяние. Дифрактометр DC1 размещен на пучке тепловых нейтронов из горизонтального экспериментального канала ГЭК-9 (рис. 5).

Рис. 5.

Схема расположения дифрактометра DC1 на ГЭК-9.

Параметры дифрактометра DC1: рабочие длины волн 0.9, 1.2 и 2.4 Å (Cu, Si, PG фокусирующие монохроматоры); монохроматизация Δλ/λ ≤ 3%; угловой диапазон 2θ регистрации вокруг вертикальной оси –20°–120°; угловой диапазон 2θ регистрации вокруг горизонтальной оси –12.5°–25° (или наоборот, –25°–12.5°, в зависимости от конструкции подъемного устройства детектора); предполагаемый размер образца не более 10 × × 10 мм; диапазон углов вращения образца: ω –34°–48°, χ –80°–200°, Φ –179°–179°, рабочий диапазон зависит от размеров χ-кольца, стола образца и криорефрижератора; точность установки на заданный угол не хуже 0.001°.

TeX-3 – четырехкружный дифрактометр тепловых нейтронов для текстурного анализа. Установка TeX-3 представляет собой четырехкружный дифрактометр тепловых нейтронов, оптимизированный для исследования текстуры (ориентационного распределения кристаллитов) в поликристаллических материалах. Анизотропия поликристаллических материалов оказывает существенное влияние на их поведение в ходе различных термомеханических обработок, что крайне важно для оптимизации подобных процессов. Отметим, что в более 90% всех кристаллических материалов кристаллиты имеют предпочтительную ориентацию. Таким образом, изучение текстуры дает богатейшую информацию для широкого диапазона исследований – от взаимосвязи структуры и свойств новейших функциональных материалов до понимания протекания геологических процессов в горных породах. Исследуемые материалы варьируются от чистых металлов и их сплавов, интерметаллидов и композитов до минералов.

Для определения текстуры используют различные подходы. В настоящее время для измерения параметров предпочтительной кристаллографической ориентации наиболее широко применяют дифракционные методики. Рентгеновская дифракция с полюснофигурным гониометром является общепринятым стандартом для подобного рода измерений. Тем не менее нейтронная дифракция имеет существенные преимущества, особенно в случае массивных образцов. Для большинства материалов ослабление интенсивности падающего нейтронного пучка вследствие поглощения и рассеяния на порядок меньше, чем в случае рентгеновского излучения. Поэтому глубина проникновения порядка сантиметров для нейтронов вместо миллиметров для рентгеновских лучей. Для однозначной интерпретации вариаций интенсивности в рентгеновских методиках (как в брэгговской, так и в лауэвской геометрии) необходимо, чтобы узкий падающий пучок не покидал исследуемой области при вращении образца. Напротив, при использовании нейтронов предпочтительно, чтобы массивный (1–10 см в диаметре) образец находился в широком пучке, что позволяет исследовать один и тот же объем на любом этапе. Поскольку дифрагированный сигнал в этом случае усредняется по объему, а не только по поверхности, статистика зерен существенно улучшается по сравнению с традиционным рентгеном. Таким образом, нейтронная дифракция имеет неоспоримые преимущества для определения полных полюсных фигур в крупнозернистых агрегатах.

Интенсивность рассеяния рентгеновских лучей сильно зависит от брэгговского угла, в случае нейтронов такой зависимости практически не наблюдается. Следовательно, пики, получаемые на больших углах, могут быть более точно оценены с применением нейтронной дифракции. Также отметим, что угловое разрешение текстурных нейтронных дифрактометров обычно выше, чем рентгеновских дифрактометров с полюснофигурными гониометрами, что делает возможным деконволюцию сложных дифракционных спектров с близко расположенными пиками, как, например, в многофазных системах или материалах с низкой симметрией. Дифрактометр TeX-3 размещен на пучке тепловых нейтронов из горизонтального экспериментального канала ГЭК-6.

Параметры дифрактометра ТeХ-3: рабочая длина волны дифрактометра 1.24 Å; монохроматизация Δλ/λ ≤ 3%; диапазон углов вращения образца: φ –360°–360°; χ –360°–360°; ω –46°–46°; предполагаемые образцы: куб с ребром до 10 мм, сфера диаметром до 20 мм, цилиндр диаметром до 15 мм, высота до 15 мм; позиционно-чувствительный детектор 200 × 200 мм.

DIPOL – дифрактометр поляризованных нейтронов предназначен для широкого спектра магнитных исследований, таких как определение магнитных структур, особенностей магнитного упорядочения в кристаллических объектах, изучение магнитных фазовых диаграмм, детальное исследование сложных магнитных структур, магнитных доменов, изучение распределения плотности намагниченности, особенностей магнитного формфактора, локальной восприимчивости. Для реализации этих возможностей в схеме дифрактометра предусмотрена работа в двух режимах: классической дифракции поляризованных нейтронов и XYZ-поляризационного анализа.

В классическом эксперименте на образец падает поток поляризованных нейтронов, а поляризацию рассеянных нейтронов не анализируют. Образец намагничивается магнитным полем, приложенным вдоль вертикальной оси Z, измеряют интенсивности рассеянных нейтронов при двух возможных состояниях поляризации, затем рассчитывают их отношение R – так называемое флип-отношение. Такой режим еще называют “полуполяризованным экспериментом”. Этот метод демонстрирует колоссальное повышение чувствительности к слабым магнитным сигналам и используется в основном для изучения распределения спиновой плотности и особенностей формфактора магнитных ионов в элементарной ячейке.

В методе XYZ-поляризационного анализа поляризацию ориентируют вдоль осей X, Y, Z, и вдоль этих же направлений проводят анализ спинового состояния рассеянных нейтронов. Этот метод чрезвычайно эффективен для разделения ядерного и магнитного вкладов в нейтронное рассеяние и высоко востребован при изучении систем с взаимодействующими параметрами порядка. Поляризационный анализ также позволяет проводить исследования спиновой киральности в сложных магнитных системах.

Дифрактометр имеет следующее оборудование для узла образца: криорефрижератор с диапазоном температур Т = 10–340 K с вакуумным постом; криостат Т = 1.5–340 K; температурный контролер LakeShore 340; сверхпроводящий магнит с вертикальным полем (до 7 Тл); система трехмерного анализа дифрагированного пучка нейтронов; двумерный позиционно-чувствительный детектор. Дифрактометр DIPOL размещен на пучке горячих нейтронов из горизонтального экспериментального канала ГЭК-8 (рис. 6).

Рис. 6.

Схема расположения основных узлов и функциональных компонентов дифрактометра DIPOL: 1 – узел монохроматора, 2 – защита монохроматора, 3 – мониторный счетчик, 4 – поляризатор, 5 – флиппер, 6 – диафрагма, 7 – узел образца. I – Популяционный режим: 8 – позиционно-чувствительлный детектор. II – Режим поляризационного анализа: 9 – катушка ведущего поля на образце, 10 – анализатор поляризации, 11 – узел детектора.

Параметры дифрактометра поляризованных нейтронов: рабочие длины волн 0.7, 1.0 Å; поток поляризованных нейтронов на образце (λ = 0.7 Å) ∼ 1 × 107 н/cм2·с; поляризация 95% и более; температура измерений 1.5–300 K; разрешение по импульсу 0.01 Å–1.

1.2. Спектрометрический комплекс

Неупругое рассеяние нейтронов (НРН) – методика, называемая также нейтронной спектроскопией, является одним из краеугольных камней для любого центра нейтронных исследований на основе высокопоточного нейтронного источника. Динамические свойства играют очень важную роль в физике конденсированного состояния, химии, биофизике и биологии, науках о материалах, поэтому развитие методики НРН должно быть одним из приоритетных направлений работ на реакторе ПИК. Исходя из критического положения нейтронной спектроскопии в Российской Федерации, именно на ПИК могут возлагать надежды все заинтересованные в ренессансе этой методики в стране [3].

НРН используется для исследования динамических свойств материалов [58]. По значению для физики конденсированного состояния нейтронную спектроскопию можно сопоставить с таким высокоинформативным методом, как нейтронная дифракция. Нейтронная спектроскопия и дифракция являются комплементарными методиками, их нельзя противопоставлять друг другу. Дифракция (как ядерное, так и магнитное рассеяние нейтронов) позволяет определять кристаллические и магнитные структуры материалов, т.е. отвечает на вопрос, где находятся атомы (или как ориентированы ММ). Дифракция также способна обнаруживать ФП в материалах. Но, как правило, дифракционные методы не позволяют понять механизмы явлений в конденсированных средах, природу ФП, причины формирования того или иного основного состояния системы. Найти ответы на эти более глубокие вопросы может помочь НРН, ибо этому методу доступны спектры элементарных возбуждений, как решеточных – фононов (ответ на вопрос, как атомы движутся), так и электронных и магнитных (магноны, экситоны и другие).

Концепция квазичастиц [913] – элементарных возбуждений разной природы – является самой плодотворной идеей в физике конденсированных сред XX века и одним из главных инструментов научного познания в этой области фундаментальной науки. Далеко не случайно при присуждении Нобелевской премии за развитие методики нейтронных исследований конденсированных сред одна половина была присуждена за развитие нейтронной дифракции, а вторая – за НРН. Так, точное знание полной энергии и симметрии системы связанных атомов (кристалла), разницы между значениями энергии различных кристаллических фаз не дает возможности что-либо сказать о физических свойствах кристалла – теплоемкости, намагниченности, восприимчивости, тепловом расширении, теплопроводности, электросопротивлении. В то же время спектры элементарных возбуждений (законы дисперсии и плотности состояний возбуждений) позволяют правильно рассчитывать все основные физические свойства, определять механизм ФП [8, 14]. То есть дифракция в физике конденсированных сред является в значительной степени методом диагностики и поиска эффектов, а спектроскопия – методом выяснения сути явлений, движущих сил, объяснения физических свойств материалов. Две данные методики хорошо дополняют друг друга, если применяются в разумном сочетании. Существенный перекос в пользу одной из них снижает научную результативность нейтронного источника.

Возбуждения, доступные НРН, отражают многие степени свободы изучаемых систем. К квазичастицам относятся фононы, магноны (или спиновые волны в рамках классической теории магнетизма), волны спиновой плотности, парамагноны, спиноны, экситоны, ротоны, фазоны и так далее [15]. Нейтронная спектроскопия является инструментом изучения возбуждений в молекулах (вибрационных, ротационных). Существуют многие виды одноузельных (одноионных) возбуждений: локальные моды колебаний примесных атомов в кристаллах, переходы между уровнями основных мультиплетов, расщепленных в кристаллическом электрическом поле, межмультиплетные переходы. НРН применяют для изучения критической динамики и физики ФП. Важную роль нейтронная спектроскопия играет в исследованиях явлений диффузии и релаксации как в твердых телах, так и в мягких материалах – полимерах, биологических объектах, органических и неорганических соединениях. Жидкости (в том числе квантовые), эмульсии, суспензии, аморфные материалы и прочие неупорядоченные среды, квазикристаллы – все эти объекты характеризуются специфическими видами возбуждений, проявляющимися в нейтронных спектрах.

НРН имеет очень большое значение для изучения динамики кристаллической решетки [16]. Прямые измерения законов дисперсии и плотности фононных состояний (в том числе и парциальных) позволили изучить потенциалы межионных взаимодействий, понять природу формирования многих материалов, объяснить аномалии их физических свойств. В частности, на основе спектров НРН удалось получить прекрасное количественное описание для сверхпроводников с фононным механизмом сверхпроводимости.

Незаменимыми оказались нейтронные спектрометры для изучения ФП, как структурных, так и магнитных, в выявлении тех мод, с которыми связана структурная или магнитная неустойчивость системы [16]. Критическая динамика в физике ФП – еще одна важная ниша для НРН. Ключевую роль нейтронная спектроскопия играет в исследовании магнетиков разных классов – ферро- и ферримагнетиков, антиферромагнетиков, зонных магнетиков и систем с волнами спиновой плотности, спиновых стекол, молекулярных магнетиков, металлоорганических магнетиков. Нейтронные спектры содержат информацию об эффективных обменных константах и прочих важных параметрах магнитных систем [17].

Для решения проблемы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и исследования сверхпроводников разных типов (в частности, купратов) НРН применяют как один из самых многообещающих и высокоинформативных методов. Хотя проблема ВТСП пока не решена, уже накоплен очень большой объем информации как о решеточной подсистеме, так и о магнитных возбуждениях, что может сыграть решающую роль в выяснении механизма сверхпроводимости. В настоящее время идут активные исследования магнитных и решеточных возбуждений в сверхпроводниках нового поколения на основе железа.

Трудно переоценить роль, которую играет НРН в исследовании систем с сильными электронными корреляциями. В результате измерений спектров магнитных возбуждений удалось выяснить природу необычных основных состояний, выявить возбуждения, специфические для кондо-систем, режимов тяжелых фермионов и промежуточной валентности. Были обнаружены многочисленные аномалии динамики решетки. Низкоразмерные системы, в том числе системы с квазиодномерными спиновыми цепочками и квазидвумерными плоскостями квантовых спинов, были объектами исследования методом НРН. Были получены фундаментальные результаты, обнаружены магнитные возбуждения новой природы.

Спектрометры обратного рассеяния и спин-эхо-приборы оказались незаменимы для исследования динамических процессов при низких переданных энергиях, что потребовало достижения предельно высокого энергетического разрешения (10–3 и 10–5 мэВ соответственно) [17, 18]. Низкоэнергетическая динамика характерна для процессов релаксации, физических явлений с большими характерными временами и низкими частотами. Класс объектов, требующих изучения низкоэнергетической динамики, очень широк. Исследуют как структурные явления, так и явления в магнитной и электронной подсистемах.

IN1 – трехосный спектрометр тепловых нейтронов. Метод трехосной спектроскопии позволяет настроить спектрометр на измерения в любой точке пространства энергия–импульс или обратного пространства. Эта особенность приводит к тому, что трехосные спектрометры являются одними из основных инструментов для глубоких исследований неупругих процессов в твердом теле и входят в набор экспериментальных установок, обязательный для высокопоточного источника нейтронов. При измерениях на спектрометре происходит дифракция первичного пучка нейтронов на монохроматоре (формирование монохроматического пучка нейтронов, ось вращения 1), рассеяние монохроматического пучка нейтронов на образце (ось вращения 2), дифракция пучка нейтронов на анализаторе (ось вращения 3). Для более эффективного использования нейтронного рассеяния в спектрометре используется схема фокусировки Роуланда, в которой источник, монохроматор и образец расположены на одной окружности. Предложенная схема соответствует современным концепциям построения трехосных спектрометров. Нейтронные исследования на спектрометре IN1 будут проводиться с переменной длиной волны при рассеянии нейтронов в горизонтальной плоскости. Предполагаемое место установки спектрометра – главный зал реактора ПИК, канал ГЭК-10 (рис. 7).

Рис. 7.

Схема расположения основных узлов и функциональных компонентов спектрометра IN1: 1 – входная щель (VS), 2 – заслонка, 3 – фильтр, 4 – монитор 1, 5 – узел монохроматора, 6 – коллиматор, 7 – монитор 2, 8 – маска, 9 – диафрагма, 10 – узел образца, 11 – ловушка, 12 – диафрагма, 13 – коллиматор, 14 – монитор 3, 15 – узел анализатора, 16 – узел детектора. Серым цветом обозначены элементы защиты.

Параметры спектрометра IN1: диапазон энергии нейтронов Ei = 15–100 мэВ, длин волн λi = = 0.9–2.36 Å; монохроматизация Δλ/λ ≤ 3%; энергетическое разрешение ΔE ≤ 3 мэВ (FWHM); предполагаемый размер образца не более 30 × 30 мм.

IN2 – трехосный спектрометр холодных нейтронов предназначен для исследования с высоким разрешением коллективных возбуждений с низкой энергией в твердом теле [3]. Предполагается, что спектрометр обеспечит высокое разрешение по переданному импульсу и/или энергии, а также будет эффективен в решении проблем упругого рассеяния, где важно высокое соотношение пик/фон. Нейтронные исследования на спектрометре IN2 будут проводиться с переменной длиной волны при рассеянии нейтронов в горизонтальной плоскости. Для эффективного использования нейтронного рассеяния в спектрометре также используется схема фокусировки Роуланда. Предполагаемое место установки спектрометра – нейтроноводный зал реактора ПИК, нейтроноводная система канала ГЭК-2 (рис. 8).

Рис. 8.

Схема расположения основных узлов и функциональных компонентов спектрометра IN2: 1 – HB вставка/поляризатор, 2 – эллиптический нейтроновод, 3 – селектор скоростей, 4 – входная щель (VS), 5 – заслонка, 6 – монитор 1, 7 – узел монохроматора, 8 – коллиматор, 9 – монитор 2, 10 – маска, 11 – диафрагма, 12 – узел образца, 13 – ловушка, 14 – диафрагма, 15 – коллиматор, 16 – монитор 3, 17 – узел анализатора, 18 – коллиматор, 19 – узел детектора. Серым цветом обозначены элементы защиты.

Параметры спектрометра IN2: энергетический диапазон 2.3–36 мэВ; длины волн 1.5–6.0 Å; монохроматизация: Δλ/λ ≤ 3%; энергетическое разрешение ΔE ≤ 25, 80, 120 мкэВ (FWHM) для энергии падающих нейтронов 2.3, 4 и 5 мэВ соответственно; предполагаемые размеры образца (10 × 10)–(30 × 30) мм.

IN3трехосный спектрометр тепловых поляризованных нейтронов. Наряду с анализом энергии в основной рабочей моде спектрометра проводится анализ спинового состояния рассеянных на образце нейтронов. Этот режим работы спектрометра обеспечит эффективное решение задач для сложных ситуаций с близкими по энергии или импульсу магнитными и решеточными возбуждениями. Нейтронные исследования на спектрометре IN3 будут проводиться с переменной длиной волны при рассеянии нейтронов в горизонтальной плоскости [3]. Для эффективного использования нейтронного рассеяния в спектрометре также применяют схему фокусировки Роуланда. Для реализации режима поляризационного анализа на спектрометре перед монохроматором устанавливают поляризатор, два флиппера – перед образцом и после него, систему ведущих полей на образце, а также анализатор поляризации рассеянных образцом нейтронов. Предполагаемое место установки спектрометра – нейтроноводный зал реактора ПИК, нейтроноводная система канала ГЭК-2, нейтроновод НГ-1 (рис. 9).

Рис. 9.

Схема расположения основных узлов и функциональных компонентов спектрометра IN3: 1 – вставка, 2 – эллиптический нейтроновод, 3 – входная щель (VS), 4 – заслонка, 5 – монитор 1, 6 –узел монохроматора , 7 – коллиматор, 8 – монитор 2, 9 – маска, 10 – катушка ведущего поля на монохроматоре, 11 – диафрагма, 12 – флиппер 1, 13 – узел образца, 14 – ловушка, 15 – катушки ведущего поля на образце, 16 – флиппер 2, 17 – диафрагма, 18 – монитор 3, 19 – узел анализатора, 20 – узел детектора. Серым цветом обозначены элементы защиты.

Параметры спектрометра IN3: диапазон используемых значений энергии нейтронов 15–100 мэВ, длин волн 0.9–2.36 Å; монохроматизация Δλ/λ ≤ 3%; энергетическое разрешение: ΔE ≤ ≤ 3 мэВ (FWHM); предполагаемый размер образца не более 30 × 30 мм; поляризация нейтронов P ≥ 95%.

IN4 – спектрометр нейтронов по времени пролета (time-of-flightTOF) предназначен для измерений спектров неупругого рассеяния нейтронов в различных материалах, как в твердых телах (кристаллах и неупорядоченных средах), так и в жидкостях, полимерах, прочих системах типа “мягкие материалы” в интересах физики, химии, биологии, материаловедения [3]. Современный TOF-спектрометр является эффективным сканером возбуждений, позволяющим изучать коллективные и локальные моды возбуждений в широком диапазоне переданных энергии и импульсов. Энергетическое разрешение и разрешение в импульсном пространстве можно варьировать при помощи выбора энергии падающих на образец нейтронов и режима работы установки. Наиболее гибкой схемой, позволяющей изучать как магнитные, так и структурные (решеточные) возбуждения, является схема спектрометра прямой геометрии. Времяпролетный прибор прямой геометрии превосходит спектрометр обратной геометрии по объему доступной для сканирования области в пространстве QE (рис. 10). В частности, диапазон переданных импульсов для спектрометров первого типа намного шире.

Рис. 10.

Принципиальная схема спектрометра IN4 в конфигурации прямой геометрии. LPM, LMS и LSD – расстояния между P- и M-прерывателями, М-прерывателем и образцом S, образцом S и детектором D соответственно. C- и FO-прерыватели являются второстепенными и поглощают нейтроны с неподходящей для эксперимента энергией, кратной пропускаемой основными прерывателями.

Для решения задач физики конденсированного состояния, химии, биологии, материаловедения требуются разные режимы измерения – как режим с высоким энергетическим разрешением ∼2%, так и режим с умеренным разрешением ∼4% и высокой светосилой. Спектрометр IN4 является гибкой системой, способной обеспечить тот или иной режим работы в интересах пользователей.

Параметры спектрометра IN4: диапазон переданной энергии нейтронов = 0.5–20 мэВ; относительное энергетическое разрешение в позиции упругого пика не хуже 5%; размер образца не более 30 × 30 мм.

SEM – нейтронное спиновое эхо. Установка спин-эхо-спектроскопии SEM предназначена для изучения динамики надатомных, молекулярных и надмолекулярных структур: синтетических и биологических полимеров, макромолекул, фуллеренов. Методы спин-эхо-спектрометрии применяют для исследования медленных релаксационных процессов. Такие процессы наблюдаются при исследовании “мягкой материи” и стеклования: например, тепловых колебаний поверхности мембраны в микроэмульсии, динамики полимерных цепей в расплаве, термоактивационного движения доменов в белках, что является важным ключом для понимания функций белка.

Метод нейтронной спин-эхо (НСЭ) спектрометрии имеет наивысшее разрешение по энергии, достижимое на нейтронных спектрометрах. Метод применяется в основном в экспериментах по квазиупругому рассеянию для изучения релаксационных процессов, расположенных на энергетической шкале вблизи нуля переданной энергии. В отличие от других методов неупругого рассеяния нейтронов в методе НСЭ измеряется промежуточная функция рассеяния S(Q, t) в точке обратного пространства Q в зависимости от времени t релаксации изучаемого процесса. Диапазон измеряемых времен релаксации 10–12–10–7 с охватывает динамическую шкалу от микроскопических времен атомных столкновений и спинового обмена до макроскопических времен медленных релаксационных процессов крупных молекул и атомных конгломератов. В отличие от других экспериментальных методов, дающих динамическую информацию, таких как мюонная спиновая спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, Мессбауэровская спектроскопия или магнитометрические измерения восприимчивости, НСЭ одновременно дает доступ к микроскопической информации через значение переданного импульса Q в обратном пространстве. Таким образом, НСЭ может выступать связующим звеном между перечисленными интегральными методами и микроскопическими, т.е. традиционной нейтронной спектрометрией – трехосной и времяпролетной.

Установка спин-эхо-спектроскопии SEM работает по принципу модуляции нейтронного спектра по длинам волн фазой ларморовской прецессии спина нейтрона в магнитном поле [19]. В приборе реализованы два различных принципа спинового эха, а именно резонансное спин-эхо и принцип Mieze, или синусоидальной модуляции интенсивности падающего на образец нейтронного потока. Используя прецессию спина нейтрона в магнитном поле для измерения динамической функции рассеяния объектов S(Q, t) ∼ ∼ $\int {S{\text{(}}Q{\text{,}}\omega {\text{)}}\cos {\text{(}}\omega t{\text{)}}d\omega } $, спектрометр позволяет разделить процессы изменения импульса и спинового состояния нейтрона в явлениях рассеяния в объектах, включающих в себя ядерные и магнитные подсистемы. Опция Mieze [20] позволяет не ограничиваться изучением объектов со спиновой зависимостью сечений рассеяния (магнетиков, сверхпроводников, водородсодержащих сред), а дополнительно изучать квазиупругие процессы практически в любых системах, а также в любых условиях, в том числе во внешнем магнитном поле.

Параметры спектрометра: диапазон используемых длин волн нейтронов 4.0–12 Å; монохроматизация Δλ/λ ≤ 20%; диапазон переданных импульсов q 0.01–1.5 Å–1; поляризация пучка на образце составляет P0 = 0.95; предполагаемый размер образца не более 20 × 20 мм; диапазон измеряемых времен 0.01–10 нс (при λi = 12 Å) и 0.001–2 нс (при λi = 4.0 Å).

ТНР – тестовый нейтронный спектрометр предназначен для проведения измерений реального нейтронного спектра на канале ГЭК-3. Вспомогательный характер спектрометра компенсируется его востребованностью для сопровождения строительства нейтроноводной системы и всей приборной базы в ближайшие годы. С помощью спектрометра ТНП проводят измерения спектров нейтронных пучков на разных участках нейтроноводных трактов и затем интерполируют экспериментальные данные для определения величины нейтронного потока на проектной мощности.

Параметры спектрометра: измерительный диапазон 0.5–20 Å; приборное разрешение 5%; характерное время набора статистики 1 ч (зависит от пучка и мощности работы реактора); мобильная установка, пригодная к перемещению на любой пучок.

1.3. Комплекс малоугловых дифрактометров

Малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН) является одним из наиболее информативных методов изучения строения вещества в надатомных масштабах – от единиц нанометров до десятка микрометров. Поэтому исследования с применением МУРН охватывают чрезвычайно широкий класс объектов – от структуры белков и вирусов в биологии, медицине и фармакологии до полимерных нанокомпозитных материалов, эмульсий и микроэмульсий в химии, от несоразмерных магнитных структур и критических флуктуаций при фазовых превращениях в физике конденсированных сред до фрактальных структур гранулированных материалов в материаловедении и металлургии и минералов в геологии [2134].

Мембрана-2 – установка малоуглового рассеяния нейтронов. Малоугловой дифрактометр Мембрана-2 предназначен для изучения надатомных, молекулярных и надмолекулярных структур различных объектов: синтетических и биологических полимеров, макромолекул, фуллеренов [3]. Особый класс объектов исследования представляют наночастицы: нанотрубки, катализаторы, нанофазные включения в металлах, сплавах, композитах. Агломераты наночастиц формируются в периодические структуры, фракталы, системы с ближним порядком – все они требуют широкого пространственного диапазона исследований. Поэтому малоугловой дифрактометр Мембрана-2 спроектирован как установка МУРН с максимально широким диапазоном переданных импульсов при одномоментной съемке. Нейтронные исследования на малоугловом дифрактометре Мембрана-2 будут проводиться в монохроматическом режиме с возможностью изменения длины волны и в полихроматическом режиме с применением времяпролетной методики (рис. 11).

Рис. 11.

Принципиальная схема малоуглового дифрактометра нейтронов Мембрана-2.

Параметры установки: диапазон используемых длин волн нейтронов 4.5–20 Å; монохроматизация Δλ/λ ≤ 10%, дополнительно рассмотрена возможность монохроматизации с системой прерывателей Δλ/λ ≤ 2–26% в зависимости от используемой пары прерывателей и расстояния образец–детектор; диапазон переданных импульсов q 0.001–0.5 Å–1; расходимость пучка варьируется в зависимости от количества используемых коллимирующих секций и величины диафрагмы (от 10 × 10 до 30 × 30 мм); размер образца 15 × 15 мм.

Tenzor – установка малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов. Малоугловой дифрактометр поляризованных нейтронов Tenzor предназначен для изучения ядерных и магнитных неоднородностей масштаба 1–100 нм при проведении исследований в области материаловедения (дефектов, пористости), физики металлов (выделившихся фаз, кластеров), технологии наноструктур и наноматериалов (мезопористых систем, мембран, фотонных кристаллов), физики сложных магнитных структур, спиновых корреляций при критических явлениях в ферромагнетиках, физике и химии коллоидных частиц (микроэмульсии, коллоидных растворов, жидких кристаллов) и физики сверхпроводников [3]. Использование поляризованных нейтронов расширяет спектр исследований и позволяет не только традиционно выделять магнитное рассеяние, но и изучать в экспериментах по МУР динамику спиновых корреляций при малых переданных импульсах, многочастичные спиновые корреляции, киральные свойства веществ, магнитно-ядерную интерференцию. С примерами исследований, выполненных с помощью МУР поляризованных и неполяризованных нейтронов, можно ознакомиться в [35, 36].

На малоугловом дифрактометре Tenzor можно проводить измерения с использованием неполяризованных и поляризованных нейтронов и анализировать поляризацию прошедшего через образец пучка. Нейтронные исследования на малоугловом дифрактометре поляризованных нейтронов Tenzor будут проводиться как в стандартном монохроматическом режиме (Δλ/λ = 10%) с переменной длиной волны нейтронов, так и в высокомонохроматическом режиме с параметрами Δλ/λ порядка нескольких процентов.

Параметры установки: диапазон используемых длин волн нейтронов 4.5–20 Å; монохроматизация Δλ/λ ≤ 10%; диапазон переданных импульсов 0.001–0.5 Å–1; расходимость пучка варьируется в зависимости от количества используемых коллимирующих секций и размера диафрагмы; размер образца 15 × 15 мм; поляризующая эффективность поляризатора PP ≥ 0.95.

SANS2 – установка малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов. Малоугловой дифрактометр поляризованных нейтронов SANS2 по своему функциональному предназначению является узкоспециализированным аналогом установки Tenzor. Прибор сфокусирован на изучении физики сложных магнитных структур, спиновых корреляций при критических явлениях в ферромагнетиках, спиновых волн и физики сверхпроводников.

Параметры установки: диапазон используемых длин волн нейтронов 5.0–12 Å; монохроматизация Δλ/λ ≤ 10%; диапазон переданных импульсов 0.001–0.1 Å–1; расходимость пучка варьируется в зависимости от количества используемых коллимирующих секций и размера диафрагмы (от 10 × 10 до 30×30 мм); размер образца 15 × 15 мм; поляризующая эффективность поляризатора PP ≥ ≥ 0.95.

SESANS – установка спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов. Установка SESANS (рис. 12) предназначена для исследований крупномасштабных объектов биологии, коллоидной и супрамолекулярной химии, пористых и мембранных систем, доменной структуры магнитных материалов [19, 37]. Масштаб структур, доступных для исследования на приборе, покрывает три порядка по шкале размеров: от 100 нм до 40 мкм. Метод спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов (СЭМУРН) используется для исследования крупномасштабной структурной организации хроматина в ядре живой клетки [38]. Для извлечения СЭМУРН-сигнала от образцов биологической природы, характеризующихся слабой рассеивающей способностью, необходим широкий диапазон длин волн нейтронов – от 0.1 до 1 нм [39].

Рис. 12.

Эскиз установки SESANS.

В основе работы прибора лежит один из вариантов метода спинового эха. SESANS отличается от установок классического спинового эха тем, что области прецессии имеют форму параллелограмма. Это приводит к тому, что после изменения направления траектории движения в результате рассеяния нейтронов на образце длина пути во втором плече установки сильно изменяется и угол рассеяния оказывается связанным с измеряемым изменением поляризации.

Параметры установки: диапазон длин волн 3.5–12 Å; степень монохроматичности (в монохроматической моде) Δλ/λ = 2%; диапазон измеряемых масштабов 0.1–40 мкм; поляризующая эффективность поляризатора и анализатора PP ≥ ≥ 0.95; сечение нейтронного пучка на образце 10 × 10 мм2; плоскость рассеяния горизонтальная; вертикальная расходимость нейтронного пучка 3 угл. мин и менее.

1.4. Рефлектометрический комплекс

За последнее десятилетие нейтронная рефлектометрия стала мощным методом исследования поверхностей, тонких пленок и многослойных структур. Увеличение светосилы нейтронных рефлектометров за счет размещения на более интенсивных источниках нейтронов, а также применение современной нейтронной оптики позволили существенно уменьшить время измерений и повысить пространственное разрешение. Сравнительная простота анализа данных о зеркальном отражении нейтронов способствует его широкому использованию для восстановления структуры и послойной магнитометрии по глубинным профилям плотностей длин рассеяния. В последнее время все в большей степени используются возможности нейтронной рефлектометрии, связанные с незеркальным рассеянием и МУР при скользящем падении.

SONATA – высокопоточный рефлектометр поляризованных нейтронов предназначен для исследования тонких и атомарно тонких пленок, слоистых и латерально упорядоченных структур, магнетизма в таких структурах и процессов на границах с быстрой кинетикой, в том числе на границе между твердой и жидкой фазами. Его схема приведена на рис. 13. Использование поляризованных нейтронов существенно увеличивает потенциал прибора, поскольку делает возможным изучение магнетизма поверхностей, слоистых и латерально упорядоченных структур. Наряду с классической схемой рефлектометрии поляризованных нейтронов будет осуществлена схема с векторным анализом поляризации [40]. Таким образом можно получать более детальную и надежную информацию о магнитном состоянии нанослоев, а также развивать элементы инновационной нейтронной спиновой (спин-манипуляционной) оптики [41].

Рис. 13.

Принципиальная схема нейтронного рефлектометра SONATA: 1 – выходное окно транспортного нейтроновода, 2 – 2D-диафрагма, 3 – первая пара дисков чоппера, 4 – трансмиссионный флиппер, 5 – вторая пара дисков чоппера, 6 – 2D-диафрагма, 7 – пучковый комбинатор, 8 – флиппер, 9 – монитор, 10 – 2D-диафрагма, 11 – узел образца, 12 – флиппер, 13 – веерый анализатор, 14 – двухкоординатный ПЧД. После выходного окна транспортного нейтроновода располагаются три коллимационные щели, элементы трехдискового чоппера оригинальной конструкции [9], трансмиссионный фильтр, пучковый комбинатор, два флиппера, монитор, узел образца, веерный анализатор и двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор (ПЧД).

Взаимодействие падающих нейтронов с поверхностью образца приводит к их рассеянию по трем основным каналам (рис. 14): зеркального отражения (угол падения равен углу отражения), незеркального рассеяния (в плоскости зеркального отражения) и малоуглового рассеяния нейтронов при скользящем падении (МУРН-СП, или GISANS).

Рис. 14.

Каналы рассеяния нейтронов на поверхности образца при точечной геометрии съемок: зеркальное отражение, незеркальное рассеяние в плоскости зеркального отражения xz; малоугловое рассеяние при скользящем падении (МУРН-СП). Для упрощения рисунка МУРН-СП показано только в одной плоскости, фактически оно заполняет все окно ПЧД.

Рефлектометрия зеркального отражения используется для восстановления глубинного профиля плотности длины рассеяния, который дает информацию о химическом (и изотопном) составе отражающих слоев на масштабах порядка 1–102 нм. Рефлектометрию поляризованных нейтронов можно использовать для послойной векторной магнитометрии. Структурные и магнитные неоднородности масштабов 102–104 нм (вариации плотности длины рассеяния) в плоскости зеркального отражения могут быть разрешены при использовании щелевой коллимации в съемках на малых углах скольжения. Коллимируя падающий пучок в горизонтальной и вертикальной плоскостях, можно измерить МУРН-СП на латеральных неоднородностях (вариациях плотности длины рассеяния) в плоскости, перпендикулярной плоскости зеркального отражения. Таким образом могут быть разрешены структурные и магнитные неоднородности масштабов 1–102 нм.

Параметры рефлектометра SONATA: времяпролетные съемки: рабочий спектр 2–25 Å, варьируемый диапазон λ и разрешение Δλ/λ; съемки с постоянной длиной волны: рабочие длины волн 2–25 Å, оптимальная длина волны 5.2 Å, разрешение Δλ/λ ∼ 3–10%, максимальные переданные импульсы не менее 1 Å–1 (зеркальное рассеяние), 0.05 Å–1 (незеркальное рассеяние), 0.2 Å–1 (МУРН-СП); поляризация пучка более 98%.

HARMONY – рефлектометр нейтронов с вертикальной плоскостью рассеяния. Нейтронный рефлектометр HARMONY – времяпролетный прибор с вертикальной плоскостью рассеяния. Для данного рефлектометра основными направлениями исследования являются: границы разделов воздух–жидкость, жидкость–твердое тело и твердое тело–воздух, динамические системы, диффузное (незеркальное) рассеяние, магнитные тонкие пленки. Для решения поставленных задач реализованы следующие режимы работы прибора: рефлектометрия неполяризованных нейтронов в режиме зеркального и незеркального рассеяния; рефлектометрия поляризованных нейтронов в режиме зеркального и незеркального рассеяния с поляризационным анализом. Проведение исследований на рефлектометре в обоих режимах измерений возможно как при отражении от поверхности образца сверху, так и при отражении от поверхности образца снизу. Характерные разрешаемые размеры по глубине образца составляют 10–1000 Å.

Параметры рефлектометра: рабочий диапазон длин волн 2–20 Å; диапазон по перпендикулярной компоненте переданного импульса к поверхности образца Qz ∼ 0.005–0.5 Å–1; поляризация нейтронного пучка в поляризационной моде до P ∼ 96%; сечение пучка нейтронов в позиции образца (0.1 × 10)–(4.0 × 100) мм2.

В схеме рефлектометра будут использованы инновационные элементы, разработанные в ПИЯФ: чоппер (прерыватель пучка) [42, 43] и компактный трансмиссионный суперзеркальный поляризатор [44, 45]. Так, использование предлагаемого чоппера позволит в несколько раз уменьшить время измерения образца в стандартном рефлектометрическом эксперименте по сравнению с использованием широко распространенного в нейтронных центрах двухдискового чоппера [46].

NERO – рефлектометр поляризованных нейтронов по своему функциональному предназначению является узкоспециализированным аналогом рефлектометра SONATA, работающим в режиме зеркального отражения. Он сфокусирован на исследованиях магнитных тонких пленок и многослойных структур.

Параметры рефлектометра: длина волны нейтронов 4.5 Å; разрешение по длине волны в режиме высокого разрешения Δλ/λ = 0.02, в режиме среднего разрешения Δλ/λ = 0.05; диапазон углов регистрации рассеиваемых нейтронов 2θ 0°–10°; поляризация нейтронного пучка P > 96%; минимальный размер 10 × 10 мм.

ТНР – тестовый нейтронный рефлектометр предназначен для тестирования нейтронных поляризующих и неполяризующих зеркал для создания нейтроноводов и других нейтронных оптических устройств реакторного комплекса (РК) ПИК. Вспомогательный характер спектрометра компенсируется его востребованностью для сопровождения строительства нейтроноводной системы, в частности для оценки качества внутреннего нейтронотражающего покрытия. Рефлектометр предполагает четыре режима измерений, а выбор режима определяется решаемой физической задачей: режим I – с “белым” неполяризованным пучком, режим II – с “белым” поляризованным пучком, режим III – с монохроматическим неполяризованным пучком, режим IV – с монохроматическим поляризованным пучком.

Параметры рефлектометра: рабочие длины волн (времяпролетные съемки) от 0.9 до 5 Å; монохроматизация: Δλ/λ ∼ 1%; поляризация пучка P > 99%; доступный диапазон переданных импульсов: Qz ∼ 0.003–0.3 Å–1.

2. ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

В современной физике элементарных частиц тесно переплелись космология и свойства Вселенной на ранней стадии образования, структура элементарных частиц и их взаимодействий, ядерная физика и физика фазовых превращений. Один из путей получения новых данных в этой области – увеличение точности измерений в физике низких энергий, в частности в нейтронной физике. Для этой цели необходимы высокоинтенсивные источники нейтронов, поскольку для увеличения точности необходимо увеличение статистики; кроме того, необходимы новые идеи, методики и нестандартное оборудование.

2.1. Высокоинтенсивный источник УХН на основе сверхтекучего гелия на базе реактора ПИК

Создается источник для производства ультрахолодных нейтронов (УХН) с плотностью, в 10–100 раз превышающей плотность УХН на существующих в мире источниках (рис. 15, 16, табл. 1). Такое увеличение интенсивности УХН будет достигнуто за счет применения новой технологии со сверхтекучим гелием. На источнике УХН запланирована программа исследований фундаментальных взаимодействий, включающая в себя поиск электрического дипольного момента нейтрона и прецизионное измерение его времени жизни. Обе задачи имеют принципиальное значение для физики элементарных частиц и космологии. На пучках УХН будут проводиться работы коллег из НИЦ КИ, ОИЯИ и зарубежных коллег. В настоящее время эти работы проводятся на реакторе Института Лауэ–Ланжевена (ИЛЛ) (Гренобль, Франция). Однако физика УХН начиналась в России, и было бы важно восстановить российские приоритеты в этой области.

Рис. 15.

Конструкция источника УХН на РК ПИК.

Рис. 16.

План размещения источника УХН со сверхтекучим гелием и экспериментальных установок на канале ГЭК-4 РК ПИК.

Таблица 1.  

Параметры источника УХН

Параметр Значение
Полная производительность, с–1 7.8 × 106
Энерговыделение в гелиевой камере, Вт 2
Плотность потока УХН, н/см3 1.3 × 103
Объем камеры источника УХН, л 40
Рабочая температура конвертора УХН, K 1.2

2.2. Перспективные эксперименты по физике частиц на реакторе ПИК

Магниторезонансный спектрометр на УХН для измерения электрического дипольного момента (ЭДМ) нейтрона. Эксперимент по поиску ЭДМ нейтрона связан с общей проблемой теории элементарных частиц: адекватным описанием процессов, идущих с нарушением СР- и Т-симметрии. Величина ЭДМ в современных теоретических моделях возникает в первом порядке слабого взаимодействия и оказывается на уровне 10–26–10–28 е·см.

Наиболее точное на сегодняшний день ограничение на величину ЭДМ нейтрона (менее 2 × × 10–26 е·см) было получено в ИЛЛ. В их установке использовались одна камера для хранения УХН и ртутный комагнитометр для мониторинга магнитных условий. В такой схеме возможны систематические ошибки при наличии градиента магнитного поля. Дифференциальный магнитнорезонансный спектрометр с двумя камерами хранения УХН, системой двойного анализа поляризации и четырьмя детекторами, с общим постоянным магнитным полем (рис. 17) обеспечивает принципиально иную возможность контроля систематических эффектов. Тестовый эксперимент был проведен на реакторе ИЛЛ, где был получен предел – менее 5 × 10–26 е·см. Создание нового источника УХН на реакторе ПИК с плотностью на 2 порядка выше, чем в ИЛЛ, позволит получить точность измерений ЭДМ на уровне лучше чем 10–27 е·см. Обнаружение ЭДМ нейтрона либо новое ограничение на его величину на таком уровне может стать решающим фактором при выборе теории, адекватно описывающей явления нарушения CP-симметрии.

Рис. 17.

Схема ЭДМ-установки (а) и ЭДМ-спектрометр ПИЯФ на реакторе ИЛЛ (тестовый эксперимент) (б).

Установка “ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом” (DEDM). При создании экспериментальной позиции на пучке холодных нейтронов с большой апертурой и интенсивностью в нейтроноводном зале первоочередной задачей является кристалл-дифракционный эксперимент по поиску ЭДМ нейтрона на установке DEDM. Данный инструмент будет представлять собой универсальную позицию для исследования свойств нейтрона и фундаментальных взаимодействий (рис. 18). Основная идея заключается в использовании гигантских электрических полей нецентросимметричного кристалла. Величина полей на всем пути нейтрона через кристалл составляет 108–109 В/см, что более чем в 104 раз превышает поля, достижимые в лаборатории обычными методами. При поиске ЭДМ нейтрона возможно достижение точности (2–3) × 10–27 е·см с использованием нового класса кристаллов (BSO, BGO).

Рис. 18.

Схема установки DEDM: 1 – пучок нейтронов, 2 – двухкристальный монохроматор, 3 – ловушка пучка, 4 – нейтроновод, 5 – поляризатор, 6 – спин-флиппер, 7 – система 3D анализа поляризации, 8 – блок рабочего кристалла, 9 – немагнитная система позиционирования образцов, 10 – однокристальный монохроматор, 11 – непоглощающий суперзеркальный анализатор, 12 – спин-ориентирующая катушка, 13 – кристалл-отражатель, 14 – позиционно-чувствительный детектор 2D, 15 – ловушка пучка.

Большая гравитационная ловушка для измерения времени жизни нейтрона (GT). Увеличение точности измерения времени жизни нейтрона позволит проверить справедливость теоретических моделей нуклеосинтеза в ранней Вселенной и справедливость Стандартной Модели элементарных частиц. В установке (рис. 19) используется принцип гравитационного затвора для удержания УХН в материальной ловушке. Плотность УХН в новой ловушке примерно в 30 раз больше, чем в предыдущей. Ожидается, что точность измерения времени жизни нейтрона в данной установке составит 0.2 с.

Рис. 19.

Общий вид гравитационной ловушки для измерения времени жизни нейтрона (а). Схема экспериментальной установки времени жизни нейтрона с использованием магнитного хранения (б): 1 – вакуумная камера, 2 – переключатель направления движения УХН, 3 – вращающиеся шторки, 4 – магнитная ловушка, 5 – шибер нейтронов, 6 – электромагнитный затвор УХН, 7 – детектор УХН, 8 – крышка-отражатель нейтронов.

Установка для измерения времени жизни нейтрона с использованием магнитного хранения УХН (MT). Схема эксперимента по измерению времени жизни нейтрона методом хранения УХН в магнитной ловушке, изготовленной с использованием постоянных магнитов, представлена на рис. 19. Магнитное удержание нейтронов позволяет исключить соударение нейтронов со стенками. В магнитной ловушке УХН определенной поляризации отражаются магнитным барьером и не испытывают соударений со стенками. Задача данного эксперимента – достичь статистической чувствительности в измерении времени жизни нейтрона на уровне 0.3 с.

Установка “Бета-распад нейтрона”. Основная цель эксперимента – измерение электронной асимметрии β-распада нейтрона с относительной точностью (1–2) × 10–3. Основу экспериментальной установки (рис. 20) составляет сверхпроводящий соленоид с напряженностью магнитного поля 0.35 Тл в области однородного поля и 0.80 Тл в области магнитной пробки при токе 1000 А. Корреляционный коэффициент в β-распаде нейтрона измеряется за счет магнитной коллимации угла вылета электрона и усреднения по углам вылета нейтрино. Магнитная коллимация осуществляется магнитной пробкой, а усреднение по углам вылета нейтрино выполняется благодаря сбору всех протонов от β-распада нейтрона с помощью распределенного электрического потенциала. Создание поляризации нейтронного пучка и ее анализ предлагается осуществлять с помощью суперзеркального многощелевого поляризатора. Используется времяпролетная методика с прерывателем пучка и селектором скоростей. Это позволит фиксировать место распада нейтрона. Применение скрещенных электрических и магнитных полей позволяет развести протоны и электроны. Зная точку распада нейтрона и используя времяпролетную методику для протонов, можно измерить продольный импульс протона. Это позволяет перейти к измерению нейтринной асимметрии. Пучок нейтронов попадает в область распада, ограниченную цилиндрическим электродом. Все протоны вытягиваются из области распада нейтронов электрическим полем и попадают на протонный детектор. Электроны движутся на электронный детектор.

Рис. 20.

Схема эксперимента “Бета-распад нейтрона” (а): 1 – сверхпроводящий соленоид, 2 – цилиндрический электрод, 3 – железное ярмо; 4 – детектор электронов, 5 – детектор протонов. Нейтронный приборный комплекс (б): 1 – суперзеркальный поляризатор, 2 – монохроматор, 3 – прерыватель, 4 – спин-флиппер, 5 – магнитный экран, 6 – сверхпроводящий соленоид, 7 – устройство для измерения поляризации пучка, 8 – ловушка пучка.

Установка “Нейтрино”. Экспериментальный поиск возможных осцилляций нейтрино в стерильное состояние проводится на протяжении многих лет. Этому посвящены многочисленные эксперименты на ускорителях, реакторах, на искусственных нейтринных источниках. Стерильное нейтрино является кандидатом в частицы темной материи. Гипотеза осцилляций в стерильное состояние может быть проверена прямым измерением зависимости нейтринного потока и нейтринного энергетического спектра на различных расстояниях в диапазоне 6–12 м. Реактор ПИК открывает уникальные возможности для таких исследований благодаря компактной зоне и большой мощности реактора. Детектирование реакторных антинейтрино основано на реакции обратного β-распада и использовании жидкого сцинтиллятора с гадолинием. Фотоумножители регистрируют два последовательных события: мгновенную вспышку от позитрона и аннигиляционных γ-квантов с энергией 511 кэВ, а после задержанный сигнал от γ-квантов реакции (nGd, γ) с рожденным нейтроном. Энергетический спектр антинейтрино восстанавливается из энергетического спектра позитронов. Детектор будет расположен в главном зале под транспортным коридором, где наилучшая защита от космического излучения (рис. 21). Минимальное расстояние по прямой до активной зоны составит порядка 6 м, максимальное – 15 м.

Рис. 21.

Схема размещения детектора антинейтрино на реакторе ПИК (а): 1 – активная зона реактора ПИК (высота 50 см, диаметр 40 см), 2 – область перемещения детектора антинейтрино 6–15 м от активной зоны реактора ПИК. Установка для поиска переходов нейтрона в зеркальное (стерильное) состояние (б).

Подготовка эксперимента была начата на реакторе ВВР-М и продолжена на реакторе СМ-3. После пуска реактора ПИК планируется проводить на нем основные измерения. Ожидаемая скорость счета антинейтринных событий для детектора объемом 2 м3 на расстоянии 8 м от активной зоны реактора ПИК может составлять ∼800 в сутки.

Поиск зеркальной темной материи в лабораторном эксперименте с ультрахолодными нейтронами. Из-за нарушения пространственной инвариантности слабого взаимодействия наш мир оказался левым. Причина такого неравноправия левого и правого неизвестна. Стандартная Модель успешно объясняет, как устроено слабое взаимодействие, но не объясняет, почему выбор пал на левый (V–A) вариант теории. В принципе, если существует левая асимметрия, то почему не может существовать правая, т.е. ее зеркальное отображение?

Идея эксперимента состоит в следующем. Если нейтрон и его зеркальный партнер строго вырождены по массе и нет внешних полей, с которыми они по-разному взаимодействуют, то их энергетические состояния одинаковы, и тогда возможны переходы или осцилляции нейтрон–зеркальный нейтрон. Ультрахолодный нейтрон хранится в ловушке за счет отражения от ее стенок, но если за время пролета от одной стенки к другой произойдет переход в зеркальное состояние, то зеркальный нейтрон пройдет через стенку ловушки без взаимодействия и покинет ее. Проведен целый ряд экспериментов для проверки этой гипотезы. В эксперименте ПИЯФ использовали магнитный экран и основные элементы нового спектрометра для поиска ЭДМ нейтрона. Измерения проводились в ИЛЛ на пучке УХН, подготовленном ПИЯФ для ЭДМ-эксперимента. Эффекта осцилляций обнаружено не было, а предел на время осцилляций составил 448 с, соответствующий предел на энергию смешивания составляет 1.4 × 10–18 эВ. На реакторе ПИК этот предел может быть значительно улучшен благодаря высокоинтенсивному источнику УХН (рис. 21).

2.3. Перспективные эксперименты по ядерной физике на реакторе ПИК

Масс-сепараторный лазерно-ядерный комплекс ИРИНА. На реакторе ПИК планируется создать уникальный комплекс для получения и исследования экзотических короткоживущих изотопов – проект ИРИНА (Исследование Радиоактивных Изотопов на НейтронАх). Он будет обладать рекордными параметрами выхода нейтронно-избыточных ядер за счет высокого потока тепловых нейтронов на образце и оптимальной системы организации вывода ядер. Исследование нейтронно-дефицитных и нейтронно-избыточных ядер вблизи границы протонной и нейтронной стабильности с использованием метода ISOL (Isotope Separator On-Line) является одним из важнейших направлений развития физики радиоактивных изотопов. Кроме того, радиоактивные изотопы, получаемые данным методом, широко используются в физике твердого тела, в ядерной медицине для диагностики и лечения различных заболеваний и в молекулярно-биологических приложениях.

В настоящее время лидирующие ISOL-комплексы ISOLDE (CERN), TRIUMF (Ванкувер, Канада), IGISOL в университете Ювяскюлы (Финляндия) интенсивно совершенствуют свой научный инструментарий. В ряде научных центров ведется интенсивная работа по проектированию и строительству относительно скромных ISOL-установок для локального развития программ физики радиоактивных изотопов: INFN (Леньяро, Италия), ITEMBA Labs (Стелленбош, ЮАР), RAON (Тэджон, Республика Корея). Отметим, что лучшие функционирующие ISOL-системы практически исчерпали свои возможности продвижения в сторону изучения более удаленных от дорожки β-стабильности ядер. Развитие “рекордного” ISOL-комплекса SPIRAL2 (GANIL, Франция) было прекращено, комплекс перепрофилирован. В этой ситуации ISOL-комплекс ИРИНА, планируемый к созданию на пучке реактора ПИК, имеет перспективу занять уникальное положение в мире.

Схема расположения установки ИРИНА на канале ГЭК-5-5' в экспериментальном зале реактора представлена на рис. 22. Мишенно-ионное устройство размещается в одном из каналов реактора ПИК с интенсивностью 3 × 1013 н/(см2 с) на мишени. Термостойкая мишень из карбида урана содержит 4 г 235U (на начальном этапе эксплуатации масса уменьшена до 2 г). В мишени происходит до 1014 делений в секунду, индуцированных нейтронами, в результате она разогревается до температуры более 2000°С. Высокая температура обеспечивает эффективную диффузию осколков деления в вакуумный объем мишенно-ионного устройства, где происходит высокоселективная лазерная ионизация атомов искомого элемента. Вытягивающая-фокусирующая электростатическая система направляет сформированный ионный пучок в анализирующий магнит масс-сепаратора, где происходит разделение по массам и затем выделение и вывод выбранного для исследования изотопа.

Рис. 22.

Общий вид планируемого расположения комплекса ИРИНА в реакторном зале РК ПИК: в центральной части рисунка условно показан реактор. В левой части показаны горячая камера и система автоматического передвижения мишенного устройства, в правой части изображен масс-сепаратор с тремя ионными трактами и приемными станциями, 1 – система сопряжения масс-сепаратора ИРИНА с ловушкой ПИТРАП, 2 – масс-спектрометрический комплекс ПИТРАП в круговой галерее РК ПИК.

Для эффективного исследования ядер, лежащих близко к границе нейтронной устойчивости, также решающим является обеспечение изобарной чистоты пучков, т.е. селективной ионизации изотопов одного выделенного элемента. Обеспечить селективную ионизацию изотопов большого числа элементов может только метод лазерной резонансной ионизации, разработанный и с успехом применяющийся на установке ИРИС (НИЦ “Курчатовский институт”–ПИЯФ), а теперь и в других ISOL-лабораториях. Данный метод позволяет селективно ионизировать атомы получаемых на ISOL-установках радиоактивных изотопов большого количества элементов, а также с достаточно высокой точностью измерять изотопические сдвиги и сверхтонкое расщепление атомных уровней получаемых удаленных радионуклидов. Эффективность лазерной ионизации для многих элементов составляет 10–15%. Имеется возможность получать изобарически чистые изотопные пучки Cu, Ni, Ag, Sn, Mg, Ga, Mn, Fr, Tl и многих других элементов и одновременно измерять их изотопические сдвиги и сверхтонкое расщепление.

Плановая интенсивность 1014 делений в секунду на установке ИРИНА позволяет получать выходы нейтронно-избыточных ядер, многократно превышающие выходы этих же ядер на других установках. Например, выход “маркерного” изотопа 132Sn (дважды магическое ядро, удаленное от полосы β-стабильности) на ISOL-системе на пучке нейтронов реактора ПИК с интенсивностью 3 × 1013 н/см2·с из мишени 235U массой 4 г составит около 1011 изотопов в секунду. На действующих установках ИРИС и ISOLDE данный выход равен соответственно 107 и 108 частиц в секунду. Максимальный расчетный выход этого изотопа на ISOL-установке следующего поколения SPIRAL-2 (GANIL, Франция) не превысил бы 109 изотопов в секунду.

Использование ионной ловушки типа ISOLTRAP на одном из ионных трактов установки ИРИНА позволит измерять с высокой точностью (несколько кэВ) массы большого числа ядер, удаленных от полосы β-стабильности в нейтронно-избыточную область. С использованием высокочувствительного метода резонансной лазерно-ионизационной спектроскопии будут проводиться измерения зарядовых радиусов и электромагнитных моментов ядер в наиболее интересных для ядерной физики областях – области дважды магического ядра 132Sn и области ядер с магическим числом нейтронов N = 50 (нейтронно-избыточные изотопы Ge, Ga, Zn, Cu и Ni). Кроме того, на радиоизотопном комплексе ИРИНА будут производиться сверхчистые радионуклиды для медицинского применения.

Установка исследования множественности осколков деления (FISCO). Создаваемая установка располагается в зале наклонных каналов на нейтронном пучке НЭК-2 реактора ПИК (рис. 23) и предназначена для корреляционных исследований в делении ядер при помощи разных методов: исследования распределений множественности нейтронов деления в зависимости от характеристик осколков деления и делящихся систем; изучения угловых и энергетических корреляций нейтронов, γ-квантов и третьих частиц в делении.

Рис. 23.

Общий вид установки FISCO на пучке НЭК-2 (а): 1 – корпус реактора ПИК, 2 – стандартный шибер (возможно дополнительное размещение поляризатора), 3 – защита детектора множественности, 4 – сборка сцинтилляционных детекторов, 5 – ловушка пучка, 6 – детектор заряженных продуктов деления, 7 – фотоумножители, 8 – эстакада, 9 – приборная стойка, 10 – платформа. Общая схема расположения полупроводниковых γ-спектрометров на наклонном канале реактора ПИК (б) и экспериментальное оборудование: 1 – поляризатор нейтронов, 2 – флиппер, 3 – коллиматор, 4 – ловушка, 5, 6 –детекторы излучений.

Несмотря на значительные успехи теории деления, предсказать наблюдаемые на практике величины с необходимой для практических приложений точностью не удается. Так, при расчете реакторов и других критических систем точность определения выхода нейтронов должна быть не хуже 0.1%. Делаются попытки создать системы обнаружения замаскированных ядерных материалов, которые строятся по принципу наблюдения различных корреляций между продуктами деления. Получение таких корреляций возможно при помощи метода Монте-Карло в рамках статистической теории. Экспериментальные данные об угловых и энергетических распределениях “мгновенных” нейтронов и γ-квантов деления являются средством для отладки и проверки выполняемых расчетов. Такая информация весьма важна для дальнейшего изучения механизма деления ядер, поскольку позволяет определять основные характеристики делящейся системы, такие как параметры плотности уровней для нейтронно-избыточных ядер, деформации обоих осколков вблизи “точки разрыва” и свойства “разрывных” нейтронов.

Спектрометр ядерных излучений (PROGRAS). Установка состоит из логарифмического нейтроновода и установленных на его выходе (в зале наклонных каналов) двух высокочистых германиевых детекторов (рис. 23). Внутриканальный нейтроновод служит для вывода пучка тепловых нейтронов, обеспечивая низкий уровень фона от быстрых нейтронов и γ-квантов благодаря эффективному использованию биологической защиты реактора. Спектрометр ядерных излучений PROGRAS будет использоваться для исследований структуры атомного ядра в (n,γ)-реакциях на тепловых нейтронах по спектрам совпадений (γ–γ), нейтронно-радиационного анализа элементного и изотопного состава образцов, а также для измерения сечения взаимодействия нейтронов с веществом.

Установка нейтронно-активационного анализа (ИНАА). Установка позволит определять содержание Li, B, N, O, F, Ne, Al, V, Pb в образцах по их короткоживущим изотопам, что невозможно сделать обычными методами нейтронно-активационного анализа. Эта открывает уникальную возможность определять эти элементы в сверхтвердых и жаростойких сплавах, от содержания которых очень сильно зависят их свойства, исследовать геологические образцы и биологические объекты.

Измерительный комплекс предназначен для проведения инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) на основе спектрометра γ-излучения и пневматической транспортной установки (рис. 24). Процесс проведения ИНАА автоматизирован за счет транспортировки образцов из лаборатории в канал реактора ПИК для облучения и обратно в лабораторию с помощью пневмотранспортного устройства для дальнейших спектрометрических исследований. Сокращено время доставки образца к месту облучения и обратно и исключен контакт персонала с радиоактивными исследуемыми образцами.

Рис. 24.

Общий вид пневматической транспортной установки и стойки управления (прототип).

Авторы выражают благодарность сотрудникам, принявшим участие в подготовке обзора: Л.А. Азаровой, Л.А. Аксельроду, Е.В. Алтынбаеву, А.С. Воробьеву, А.М. Гагарскому, И.В. Голосовскому, В.Г. Зиновьеву, И.А. Зобкало, Е.С. Клементьеву, А.И. Курбакову, И.А. Митропольскому, В.Н. Пантелееву, Н.К. Плешанову, В.В. Рунову, С.Ю. Семенихину, А.Е. Соколову, С.О. Сумбаеву, В.Г. Сыромятникову, В.В. Тарнавичу, Ю.П. Черненкову.

Список литературы

  1. Курбаков А.И., Коршунов А.Н., Пирогов А.Н. и др. // Кристаллография. 2021. Т. 66. № 2. С. 271.

  2. Зобкало И.А. // Кристаллография. 2021. Т. 66. № 2. С. 214.

  3. Аксенов В.Л., Ковальчук М.В. // Реакторный комплекс ПИК. Т. 4. Концепция инвестиционного проекта “Создание приборной базы реакторного комплекса ПИК”. Гатчина: Изд-во ФГБУ ПИЯФ НИЦ “Курчатовский институт”, 2015. 79 с.

  4. Балагуров А.М., Голосовский И.В., Курбаков А.И. и др. // Дифрактометры на реакторе ПИК для решения фундаментальных и прикладных задач. Гатчина: ПИЯФ, 2014 с.

  5. Hippert F., Geissler E., Hodeau J.L. et al. Neutron and X-ray Spectroscopy. Springer, 2006. 566 p.

  6. Schober H. // Neutron Applications in Earth, Energy and Environmental Sciences. N.Y.: Springer, 2009. P. 37.

  7. Willis B.T.M., Carlile C.J. // Neutron Scattering –Fundamentals. Elsevier, 2013.

  8. Furrer A., Mesot J., Strassle Th. // Neutron Scattering in Condensed Matter Physics. World Scientific, 2009. 316 p.

  9. Anderson P.W. // Concepts in Solids: Lectures on the Theory of Solids (Lecture Notes in Physics). Worls Scientific, 1963.

  10. Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А. Квазичастицы в физике конденсированного состояния. М.: Физматлит, 2007. 632 с.

  11. Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твердых телах. М.: Мир, 1965. 383 с.

  12. Каганов М.И., Лифшиц И.М. Квазичастицы. М.: Наука, 1989. 93 с.

  13. Dorner B. Coherent and Inelastic Neutron Scattering and Lattice Dynamics, Springer Tracts in Modern Physics. V. 93. Berlin; Heidelberg; New York: Springer-Verlag, 1982. 96 p.

  14. Anderson P.W. Basic Notions in Condensed Matter Physics. Addison-Wesley Pub, 1984. 564 p.

  15. Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твердых телах. М.: Мир, 1965. 383 с.

  16. Изюмов Ю.А., Черноплеков Н.А. Нейтронная спектроскопия. М.: Энергоатомиздат, 1983. 328 с.

  17. Mezei F., Pappas C., Gutberlet T. // Neutron Spin Echo.Lecture Notes in Physics, 601. Heidelberg: Springer-Verlag, 2003.

  18. Hempelmann R. // Quasielastic Neutron Scattering and Solid State Diffusion. Oxford University Press, 2000.

  19. Mezei F. // Z. Physik. 1972. B. 255. S. 146.

  20. Franz Ch., Schröder Th. // J. Large-Scale Res. Facilities. 2015. V. 1. P. A14. https://doi.org/10.17815/jlsrf-1-37

  21. Lebedev D.V., Filatov M.V., Kuklin A.I. et al. // FEBS Lett. 2005. V. 579. P. 1465.

  22. Sanson C., Diou O., Thévenot J. et al. // ACS Nano. 2011. V. 5. № 2. P. 1122. https://doi.org/10.1021/nn102762f

  23. Chen D., Nakahara A., Wei D.G. et al. // Nano Lett. 2011. V. 11. № 2. P. 561. https://doi.org/10.1021/nl103482n

  24. Xie W., He J., Kang H.J. et al. // Nano Lett. 2010. V. 10. № 9. P. 3283. https://doi.org/10.1021/nl100804a

  25. Hardacre C., Holbrey J.D., Mullan C.L. et al. // J. Chem. Phys. 2010. V. 133. P. 074510. https://doi.org/10.1063/1.3473825

  26. Cheng G., Varanasi P., Li C. et al. // Biomacromolecules. 2011. V. 12. № 4. P. 933. https://doi.org/10.1021/bm101240z

  27. Gröger G., Meyer-Zaika W., Bottcher C. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 13. № 23. P. 8961. https://doi.org/10.1021/ja200941a

  28. Yoonessi M., Gaier J.R. // ACS Nano. 2010. V. 4. № 12. P. 7211. https://doi.org/10.1021/nn1019626

  29. Chiappisi L., Prévost S., Grillo I., Gradzielski M. // Langmuir. 2014. V. 30. № 7. P. 1778. https://doi.org/10.1021/la404718e

  30. Raghuwanshi V., Harizanova R., Haas S. et al. // J. Non-Crystalline Solids. 2014. V. 385. P. 24. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2013.10.007

  31. Grigoriev S.V., Maleyev S.V., Okorokov A.I. et al. // Phys. Rev. B. 2005. V. 73. P. 134420.

  32. Muhlbauer S., Binz B., Jonietz F. et al. // Science. 2009. V. 323. P. 915.

  33. Okorokov A.I. // Crystallography Reports. 2011. V. 56. № 7. P. 1131.

  34. Bianchi A.D., Kenzelmann M., DeBeer-Schmitt L. et al. // Science. 2008. V. 319. № 5860. P. 177. https://doi.org/10.1126/science.1150600

  35. Григорьев С.В., Алтынбаев Е.В., Чубова Н.М. Экзотические спиновые структуры в моносилицидах и моногерманидах переходных металлов // Кристаллография. 2021. Т. 66. (в печати)

  36. Григорьев С.В., Алтынбаев Е.В., Пшеничный К.А. Изучение спин-волновой динамики ферромагнетиков и гелимагнетиков с взаимодействием Дзялошинского-Мория // Кристаллография. 2020. Т. 66. (в печати)

  37. Rekveldt M.T., Bouwman W.G., Kraan W.H. et al. // Neutron Spin Echo Spectroscopy. Basics, Trends and Applications / Eds. Mezei F. et al. Berlin: Springer-Verlag, 2003. P. 100.

  38. Rekveldt M.T., Bouwman W.G., Kraan W.H. et al. // Neutron Spin Echo Spectroscopy. Basics, Trends and Applications / Eds. Mezei F. et al. Berlin: Springer-Verlag, 2003. P. 87.

  39. Iashina E.G., Velichko E.V., Filatov M.V. et al. // Phys. Rev. E. 2017. V. 96. P. 012411.

  40. Iashina E.G., Bouwman W.G., Duif C.P. et al. // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 862. P. 012010.

  41. Плешанов Н.К., Аксельрод Л.А., Забенкин В.Н. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтр. исслед. 2008. № 11. С. 3.

  42. Pleshanov N.K. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2017. V. 872. P. 139.

  43. Syromyatnikov V.G. // J. Phys. Soc. Jpn: Conf. Ser. 2018. V. 22. P. 011005.

  44. Сыромятников В.Г. Патент РФ № 2680713. Прерыватель нейтронного пучка. Приоритет от 30.03.2018.

  45. Сыромятников В.Г. Патент РФ № 2624633. Формирователь пучка с опцией поляризатора для установки малоуглового рассеяния нейтронного пучка. Приоритет изобретения 21.06.2016.

  46. Van Well A.A. // Physica B. 1992. V. 180–181. P. 959.

Дополнительные материалы отсутствуют.