Принципы нейтронографии

2.7. ПРИНЦИПЫ НЕЙТРОНОГРАФИИ

Нейтронографический анализ нашел распространение в практике структурных исследований как вследствие невозможности решения рентгено- и электронографическим методами некоторых кристаллографических задач, так и вследствие некоторых собственных особенностей. Так, нейтронография широко используется для определения легких элементов - водорода, углерода, азота - в матрицах, содержащих тяжелые атомы - W, Мо, Fe, Nb и другие. Нейтронографический метод позволяет установить взаимное положение в кристалле атомов, являющихся соседями в периодической таблице, что невозможно в электронографии и далеко не всегда удается в рентгенографии. Наличие магнитного момента у нейтронов позволяет очень эффективно использовать нейтронографию при исследовании магнетиков, с ее помощью было установлено существование новых типов магнитных материалов: антиферромагнетики FeO, FeS, MnF₂ и другие, и ферримагнетики.

Наконец, высокая проникающая способность нейтронов позволяет исследовать значительную толщу материалов. Например, текстура железа была исследована в образцах железа толщиной 25 мм. Дополнительные возможности нейтронография представляет при комбинации с рентгенографией и электронографией.

В качестве источника тепловых нейтронов служит ядерный реактор, из которого коллиматор 1 (рис.3.7.1) вырезает пучок нейтронов с "белым" спектром и набором длин волн, определяемым формулой (3.1.3) с максимумом при энергии   e = 3/2 kТ. Выходящий пучок направляется на кристалл-монохроматор 2 из Си, Pb, кремнистого железа или Be. Качество даже двойной монохроматизации не слишком высоко, так что Dl/l » 0,05, что на два порядка хуже, чем для спектральной рентгеновской линии. Соответственно, и точность определения параметров структуры по нейтронограммам не превышает 0,07...0,05Å.

Монохроматизированный пучок нейтронов направляется на образец 5, установленный на оси гониометра 6, после дифракции нейтроны регистрируются детектором 7 ионизационного типа, который для повышения эффективности до 70…80% делается длиной около 0,5 м. Интенсивность пучка ~ 10² нейтронов/(мм²·с) на 7 порядков ниже интенсивности зондирующего пучка в электронографе, и на 4 порядка ниже, чем в рентгеновском дифрактометре. Соответственно, экспозиция, достаточная для надежной регистрации дифракционной картины, достигает 100 ч.

Рис. 3.7.1. Принципиальная схема нейтронного спектрографа:1 - коллиматор, 2 - кристалл-монохроматор, 3 - защита из свинца, 4 - защита из парафина, 5 - образец, 6 - гониометр, 7 - ионизационный детектор большого объема

В сочетании с необходимостью массивной защиты, доводящей массу нейтронного спектрографа до нескольких тонн, и постоянной "привязкой" к ядерному реактору такая измерительная техника не находит пока широкого применения и используется лишь тогда и там, где использование более простых, дешевых и мобильных устройств невозможно или неэффективно. Так, нейтронография предоставляет уникальные возможности исследования фононных свойств твердых тел.