Проект SANSARA

Установка малоуглового рассеяния нейтронов SANSARA

Руководитель: М.В. Авдеев

Установка SANSARA (Small-Angle Neutron Scattering And RAdiography) представляет собой дифрактометр малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН), совмещенный с установкой по нейтронной радиографии (НРГ), с расположением на пучке холодных нейтронов. Создание нового современного нейтронного спектрометра малоуглового рассеяния на ИБР-2, реализующего с наибольшей эффективностью основные возможности нейтронного рассеяния, является важной компонентой в развитии структурных методов исследования наносистем на реакторе. Следуя современным тенденциям развития нейтронных центров, установка является малоугловым дифрактометром общего пользования, целью которого ставится обеспечение широких возможностей проведения экспериментов МУРН. Оптимизация установки следует классической конфигурации установки МУРН на холодном источнике нейтронов. Для повышения эффективности использования холодных нейтронов предлагается совместить дифрактометр МУРН с установкой по нейтронной радиографии.

1. Научная программа

Малоугловое рассеяние нейтронов является одним из широко используемых методов структурных исследований нанообъектов – систем, свойства которых определяются структурными особенностями на уровне 1-100 нм. Научная программа малоугловых установок включает в себя разнообразные направления:

Комплексные жидкости, включая магнитные жидкости, растворы ПАВ, анизотропные жидкости, жидкие кристаллы и др.
Магнитные нанокомпозиты
Полимеры, в том числе магнитные полимеры
Биологические макромолекулы, мембраны, везикулы
Липосомы, включая магнитосомы.
Дисперсии углеродных материалов
Неоднородности в конструкционных материалах.

Использование нейтронного рассеяния в изучении наносистем определяется двумя факторами: (1) широкими возможностями вариации контраста на основе изотопного замещения атомов в исследуемых системах; (2) магнитное рассеяние нейтронов, позволяющее получать информацию о магнитных корреляциях в магнитных системах. Таким образом, создание нового современного нейтронного спектрометра малоуглового рассеяния на ИБР-2, реализующего с наибольшей эффективностью основные возможности нейтронного рассеяния, является важной компонентой в развитии структурных методов исследования наносистем на реакторе.

Создание установки полностью отвечает современным тенденциям методического развития. Практически на всех нейтронных источниках, как импульсного, так и стационарного типов за последние пять лет запущены и успешно действуют малоугловые дифрактометры общего пользования, главной целью которых ставиться покрыть большой запрос на данную методику

2. Научный и методический задел

На импульсном реакторе ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ (Дубна) успешно действует времяпролетная установка малоуглового рассеяния нейтронов YuMO [1], которая ориентирована на работу с тепловым замедлителем (Т = 300 К) и использует коллимацию с прямой видимостью замедлителя [2]. Для получения кривой рассеяния в диапазоне q = 0.05 – 5 нм^-1 используется специальная процедура с постоянной калибровкой на ванадиевый стандарт, установленный перед детектором. Затраты времени на калибровку окупаются высокой пиковой интенсивностью при использовании теплового замедлителя, что позволяет снизить характерное время измерения одной кривой до интервала 10 – 90 мин (в зависимости от сечения образца).

Основной выигрышной особенностью YuMO является двухдетекторная система с кольцевыми детекторами большой площади для регистрации изотропного рассеяния и отверстиями в центре детекторов для прохождения прямого пучка. Эта особенность позволяет реализовать рекордный (~100) динамический q-диапазон (диапазон сканирования за одно измерение). Таким образом, установка может эффективно использоваться для изучения изменений в наноразмерном диапазоне (10-100 нм) в реальном времени (временное разрешение до 1 мин).

Данная особенность обуславливает и ограничения установки YuMO. Так, из-за оптимизации на тепловой замедлитель есть ограничения на разрешение по минимальному значению q, что сужает диапазон чувствительности по размерам (в субмикронной области). Также из-за прямой видимости повышается фон. Наличие отверстий усложняет использование классических конструкций позиционно-чувствительного детектора (ПЧД) и применение прямого измерения и калибровки на коэффициент прохождения.

Проект новой установки МУРН сконцентрирован на снятие последних ограничений, что возможно из-за наличия холодного замедлителя. Естественной компенсацией будет снижение средней интенсивности пучка на образце. Наличие 2D ПЧД большой площади с классической процедурой получения и калибровки кривых рассеяния в двух позициях детектора (короткая и длинная базы пролета) позволит проводить эксперименты для большого количества равновесных систем, в том числе систем с анизотропией рассеяния (ориентированные системы, намагниченные магнитные системы). В свою очередь, это позволит сконцентрировать научную программу YuMO на исследовании кинетических явлений.

3. Концепция спектрометра

Концепция, моделирование с выбором оптимальной конфигурации и температуры замедлителя, а также оценки параметров установки опубликованы в [3].

Принципиальная схема предлагаемой установки представлена на Рис. 1. Для ее реализации предлагается использовать канал 10 реактора ИБР-2, который в настоящее время расщеплен на два пучка: 10-А и 10-Б. На данный момент на канале 10-Б действует рефлектометр GRAINS (рефлектометр с горизонтальной плоскостью образца) [4]. Канал 10-А снабжен головной частью с нейтроноводом (суперзеркало m = 2) и фоновым прерывателем в кольцевом коридоре. Также после головной части установлен многощелевой оптический отклонитель пучка (бэндер), суперзеркало m = 2, угол поворота 8^o на длине 2 м.

Основными факторами, определяющими параметры SANSARA, являются: (1) меры по максимальному понижению фона быстрых нейтронов; (2) измерение в более широком (в отношении малых значений q) диапазоне переданных импульсов.

Реализация (1) обеспечивается: касательным характером канала 10 относительно зоны реактора и использованием нейтронного бэндера с отведением оси пучка от прямой видимости нейтронного замедлителя.

Реализация (2) обеспечивается наличием холодного замедлителя на пучке 10.

Рис. 1. Принципиальная схема установки SANSARA

Сменная система формирования пучка вместе с дополнительной заслонкой устанавливается на выходе бэндера (Рис. 2). Система предусматривает опции: NRG (радиография) и SANS (МУРН). Смену опций обеспечивает 3 отдельных блока формирования пучка в вертикальном направлении (1 блок для NRG и 2 блока для SANS) с помощью дистанционного управления.

Рис. 2. Концептуальный вид системы формирования пучка установки SANSARA в экспериментальном зале ИБР-2

Для наибольшей эффективности использования рассеяния нейтронов в отношении чувствительности к диапазону размеров установка МУРН в классической конфигурации требует наличия холодного замедлителя с температурой 30 К. Наличие холодных нейтронов дополнительно позволяет использовать нейтроноптические устройства для разделения быстрых и холодных нейтронов и существенно понижать фон на образце. Также для повышения эффективности использования холодных нейтронов данный тип методики может быть сравнительно легко совмещен с другими методами, такими как нейтронная радиография и томография. Из-за использования бэндера (отклонителя пучка), оптимизированного для температуры 30 К, установка предназначена только для работы в холодном режиме замедлителя.

Ожидаемые параметры SANSARA

Размер пучка	50´50 мм²
Длина волны нейтронов:	0.5 – 15 Å
q-интервал	0.001 – 1 Å^-1
Угловое разрешение	5 - 20 %
Размер образца	5´5´1 – 20´50´50 мм
Поток нейтронов на образце	1.0´10⁶ см^-2 c^-1
Детектор	2D ПЧД, эффективность > 50% (0.2 нм) 64´64 – 80´80 см², разрешение 5´5 – 10´10 мм² быстродействие 10⁵ – 10⁶ с^-1

4. Ожидаемые научные результаты

Метод МУРН, который используется в решении фундаментальных и прикладных задач широкого профиля, связанных с надатомной структурой вещества, остается одним из самых востребованных методов рассеяния нейтронов. Такие задачи актуальны в различных науках, включая физику конденсированного состояния, физику и химию сложных жидкостей и дисперсных систем, включая растворы поверхностно-активных веществ и полимеров, биофизику и молекулярную биологию, материаловедение. Важнейшим направлением применения малоуглового рассеяния является анализ структуры разупорядоченных систем с помощью неразрушающего контроля с акцентом на получение прямой структурной информации о системах с хаотическим и частично упорядоченным расположением неоднородностей плотности с размерами порядка 1 – 100 нм. Сюда относятся дисперсные структуры сплавов, порошков, стекол (механизмы разделения фаз, размер и степень полидисперсности частиц), особенности строения полимеров в различных агрегатных состояниях, весовые и геометрические характеристики биологических макромолекул и их комплексов, биологические надмолекулярные структуры, такие как биологические мембраны и вирусы.

Литература

I. Kuklin, A.V. Rogachev, D.V. Soloviov, O.I. Ivankov, Y.S. Kovalev, P.K. Utrobin, S.A. Kutuzov, A.G. Soloviev, M.I. Rulev, V.I. Gordeliy, Neutronographic investigations of supramolecular structures on upgraded small-angle spectrometer YuMO, J. Phys.: Conf. Ser. 848 (2017) 012010
YM.Ostanevich, Time-of-flight small-angle scattering spectrometers on pulsed neutron sources, J. Maсromol. Chem., 15, 91-103 (1988)
Авдеев М.В., Еремин Р.А., Боднарчук В.И., Гапон И.В., Петренко В.И., Эрхан Р.В., Чураков А.В., Козленко Д.П. “Концепция малоуглового дифрактометра в классической конфигурации на холодном замедлителе реактора ИБР-2” Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования 7 (2018) 5-12
Авдеев М.В., В.И.Боднарчук, В.И.Петренко, И.В.Гапон, А.В.Томчук, А.В.Нагорный, В.А.Ульянов, Л.А.Булавин, В.Л.Аксенов, Нейтронный времяпролетный рефлектометр “ГРЭИНС” с горизонтальной плоскостью образца на реакторе ИБР-2: возможности и перспективы // Кристаллография 62(6) (2017) 1014–1021.