ThALES viděl první neutrony

ThALES viděl první neutrony

Fyzika / článek

V polovině října začal zkušební provoz zařízení ThALES určeného pro studium nízkoenergetických excitací v pevných látkách pomocí nepružného rozptylu neutronů v Institutu Laue-Langevin v Grenoblu.

obr. 1 - Schéma trojosého neutronového spektrometru.
obr. 1 - Schéma trojosého neutronového spektrometru.

Ne, nejedná se o starořeckého filosofa, geometra a astronoma Thalese z Milétu, po němž je nazvána Thaletova věta o pravoúhlých trojúhelnících nad průměrem kružnice. Nikoli.

Náš ThALES je Three Axis Low Energy Spectrometer, určený pro studium nízkoenergetických excitací v pevných látkách pomocí nepružného rozptylu neutronů. Co takový spektrometr je a jak funguje?

Neutron, jako jedna ze základních stavebních částic atomového jádra, byl experimentálně prokázán roku 1932 Jamesem Chadwickem jako elektricky neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu. Jeho fyzikální vlastnosti neutron předurčují jako ideální sondu pro mikroskopické studium materiálů. Nepřítomnost elektrického náboje umožňuje neutronům velkou penetrační hloubku, řádově centimetry. Současně má neutron magnetický moment a se spinem ½ patří mezi fermiony. Volný neutron má střední dobu života necelých 15 minut.

Díky korpuskulárně-vlnovému dualismu částic se neutron chová současně jako částice i jako vlna. Jeho vlnová délka je úměrná jeho rychlosti, tedy i jeho kinetické energii. A právě vlnových vlastností neutronu využíváme ve fyzikálním výzkumu. Po uvolnění z atomového jádra má neutron příliš velkou energii, kterou rychle ztrácí srážkami s jádry moderátoru a jeho energie se rychle stabilizuje na úrovni odpovídající teplotě moderátoru – neutron se termalizuje. Moderátorem může být buďto voda o pokojové teplotě (300 K), nebo se využívá tzv. horký a studený zdroj. Horký zdroj je tvořen grafitem o teplotě 2400 K a produkuje maximum neutronů o vlnové délce 80 pm (0,8 Å), termálním neutronům odpovídá vlnová délka 155 pm (1,55 Å) a studený zdroj, tvořený kapalným deuteriem o teplotě 25 K, produkuje maximum neutronů s vlnovou délkou větší než 300 pm (3 Å).

A právě tyto nízkoenergetické, "studené" neutrony jsou ideální pro studium nízkoenergetických excitací v pevných látkách. Jednak vlnová délka neutronu je srovnatelná s mřížovými parametry krystalové mříže, a může tedy docházet k interferenčním jevům na krystalové mříži, k ohybu a k difrakci, jednak energie neutronu je srovnatelná s energiemi kolektivních kmitů krystalové mříže a neutron interakcí získává nebo ztrácí část své energie, a tím mění svou vlnovou délku. A tyto informace je schopen měřit neutronový spektrometr.

Princip je jednoduchý. Nejprve v monochromátoru, pomocí difrakce na ideálním krystalu, vybereme z polychromatického ("bílého") toku neutronů pouze ty o námi zvolené vlnové délce a takto vzniklý monochromatický svazek necháme dopadat na vzorek. Uvnitř vzorku dojde k rozptylu neutronů, ať už pružnému, jako je difrakce neutronů na krystalové popř. magnetické struktuře látky, tak i nepružnému, způsobenému interakcí neutronů s kvazičásticemi krystalu, jako jsou fonony, magnony apod. Do rozptýleného toku neutronů pak zařadíme tzv. analyzátor, tvořený dalším ideálním krystalem, kde pomocí difrakce opět vybíráme vhodnou vlnovou délku rozptýlených neutronů, a tyto pak detekujeme (viz obr. 1 v galerii vpravo).

Realizace je již více problematická. Díky vysoké pronikavosti neutronu je třeba všechna zařízení účinně stínit. To představuje kombinaci olověného a polymerního stínění o vysoké hmotnosti, takže konstrukce musí mít vysokou nosnost a přitom (pomocí stlačeného vzduchu) se musí pohybovat s vysokou přesností nastavení. A spektrometr ThALES je unikátní zařízení svého druhu, jediné na světě.

Od projektové představy k realizaci

Institut Laue-Langevin (ILL) v Grenoblu provozuje vědecký jaderný reaktor optimalizovaný pro produkci intenzivních neutronových svazků určených pro experimenty v oblasti základního a případně i aplikovaného výzkumu, který dodnes představuje nejintenzivnější zdroj tepelných neutronů na světě. Neutronové svazky v ILL využívá 36 unikátních experimentálních zařízení, která jsou k disposici uživatelům z členských zemí ILL. Od roku 1978 je ILL spravováno společenstvím Francie, Německa a Velké Británie s třetinovým vlastnickým podílem každé z těchto zemí. Postupně se k ILL připojily další země s tzv. vědeckým členstvím, které spočívá v několikaprocentním příspěvku do ročního rozpočtu s právem využívat alikvotní podíl měřicího času. V současnosti je těchto vědeckých členů 11; mezi nimi je od roku 1998 i Česká republika (ČR), v rámci konsorcia CENI (Central European Neutron Initiative) společně s Rakouskem, Maďarskem a Slovenskem. ČR je v ILL zastupována Univerzitou Karlovu v Praze, konkrétně Matematicko-fyzikální fakultou (UK, MFF), která získává každoroční finanční příspěvky do ILL prostřednictvím projektů "Členství ČR v ILL Grenoble" v rámci programu INGO.

Intenzita neutronového zdroje ILL představuje mez současných technologických možností. Další vývoj experimentálních metod v tomto oboru se proto musí ubírat téměř výhradně cestou efektivnějšího využití stávajících svazků. Experimentální zařízení na svazcích reaktoru ILL proto procházejí pravidelnou modernizací v rámci programu Millenium. Jeho nultá fáze proběhla v letech 2000-2008 a vyústila ve vybudování 8 nových instrumentů a renovaci 6 dalších s celkovým nákladem 42 miliónů euro, což vedlo k více než řádovému zvýšení průměrné účinnosti experimentálního parku ILL. Tato možnost otvírá nové příležitosti studia materiálů, zejména vzhledem k prudce se rozvíjející oblasti technologie nanomateriálů, ultratenkých vrstev a kvantových teček, tedy materiálů s výrazným aplikačním potenciálem.

Významnou částí další etapy rozvoje ILL, Millenium I, je náhrada jednoho z uživateli nejžádanějších přístrojů – tříosého spektrometru IN14 unikátním zařízením vyšší generace ThALES. ThALES významně přispěje v oblasti studia (nano)magnetických a spinových systémů, kde hraje zásadní roli možnost použití vysokých magnetických polí ve velkém rozsahu energií a vysoká intenzita polarizovaných neutronů.

Spektrometr ThALES je určen pro výhradní využití u intenzivních svazků neutronů v ILL Grenoble. Základní design přístroje je výhradním dílem pracovníků ILL (viz obr. 2 v galerii vpravo). I v rámci designu v ILL probíhaly počítačové simulace a optimalizace jednotlivých součástí, na kterých se významně podílel doktorand MFF UK Mgr. Petr Čermák, který nedávno úspěšně obhájil svou disertační práci a nyní působí u příbuzného spektrometru PANDA ve FRM II v Mnichově.

Možnost podstatné účasti ČR na výstavbě spektrometru ThALES se stala mimořádnou příležitostí pro významné zvýšení úrovně vědeckého výzkumu v dané oblasti a prestiže českých týmů v rámci mezinárodní vědecké komunity v ILL. Stavba spektrometru proto probíhala v úzké spolupráci s partnery z ILL podle Smlouvy o spolupráci při výstavbě tříosého nízkoenergetického spektrometru (ThALES). V souladu se Smlouvou byla ustanovena pracovní skupina:

  • Vědecký vedoucí z UK v Praze (prof. RNDr. Vladimír Sechovský, DrSc.)
  • Vědecký vedoucí z ILL (Dr. Martin Boehm)
  • Technický vedoucí z UK v Praze (doc. RNDr. Pavel Svoboda, CSc.)
  • Technický vedoucí z ILL (Ing. Spephane Roux).

Výstavba spektrometru byla realizována v úzké spolupráci s pracovníky TAS Group ILL Grenoble. Na konstrukci a výrobě se na základě kontraktů a objednávek podílely průmyslové subjekty:

Výstavba spektrometru představovala vrchol technických a technologických možností zúčastněných firem, kdy vysoká nosnost konstrukce (několik tun) je kombinována s vysokou přesností nastavení, kdy tolerance nastavených úhlů představují setiny stupně. To se týká zejména dvou kritických komponent spektrometru – stolku vzorku (CVVI Brno) a stínění monochromátoru (AVS Španělsko) (viz obr. 3 v galerii vpravo).

V závěru minulého týdne (16.10.2014) byl spektrometr uveden do zkušebního provozu a začaly testy jednotlivých typů provozu. Intenzita neutronového svazku v prostoru vzorku zatím předčila veškerá očekávání.

V současné době je na studijním pobytu v ILL Grenoble i náš postgraduální student RNDr. Milan Klicpera, který se zúčastní celého testovacího provozu a současně je členem skupiny, která bude spektrometr intenzivně využívat.

Tento článek jsme automaticky naimportovali z předchozího redakčního systému. Pokud se v něm něco pokazilo, dejte nám prosím vědět.