Способ определения пространственных профилей ядерного и магнитного потенциалов взаимодействия поляризованных нейтронов со слоистой структурой Российский патент 2018 года по МПК G01N23/09 

Настоящее изобретение относится к области исследований магнитных конденсированных сред поляризованными нейтронами, в частности, методики диагностики магнитного состояния слоистой структуры, что важно для установления соответствия физических свойств слоистой структуры ее микроструктурным магнитным характеристикам.

Известен способ измерения ядерного и магнитного пространственных профилей (зависимостей) потенциала взаимодействия поляризованных нейтронов с магнитно-коллинеарной слоистой структурой [1]. Сущность способа заключается в том, что с помощью рефлектометра поляризованных нейтронов с двумя состояниями "включено (вкл)" и "выключено (выкл)" двух спин-флипперов нейтронов (спин-флиппер изменяет на противоположное исходному направление поляризации нейтронов) измеряют четыре интенсивности отражения поляризованных нейтронов от исследуемой структуры и четыре интенсивности пучка нейтронов. Измерения проводят в достаточно большом магнитном поле (несколько килоэрстед), обеспечивающем магнитное насыщение исследуемой структуры. Из полученных восьми зависимостей интенсивностей нейтронов от переданного волнового вектора нейтронов Q определяют две величины - коэффициенты отражения нейтронов от исследуемой структуры R⁺⁺(Q) и R^-(Q) для переходов "++" и "-", соответственно. Из коэффициентов отражения нейтронов определяют пространственные профили ядерного U(x) и магнитного М(х), где х - координата в направлении перпендикулярно слоям структуры, потенциалов взаимодействия нейтронов со слоистой структурой. Из пространственных профилей определяют такие характеристики вещества, как плотность атомов, амплитуды когерентного рассеяния нейтронов ядрами атомов и сечения реакций взаимодействия нейтронов с ядрами, намагниченности слоев структуры, направление вектора намагниченности в слоях и другие.

Известен способ измерения пространственных профилей магнитно-неколлинеарной слоистой структуры U(x) и (Mz(x), Мху(х)), являющийся прототипом [2]. В прототипе измеряют в недеполяризующем нейтроны магнитном поле соответствующие четырем поляризационным состояниям нейтронов четыре интенсивности пропускания нейтронов через магнитное поле, четыре интенсивности отражения нейтронов от калибровочной структуры и четыре интенсивности отражения нейтронов от исследуемой структуры.

Недостатком прототипа является невозможность определения пространственных профилей слоистой структуры в небольшом деполяризующем нейтроны магнитном поле, величиной порядка 0.1-10 Э. Это связано с тем, что небольшое магнитное поле в областях ДО1 и ДО2 (Фиг. 1), наряду с исследуемой структурой, само, подобно исследуемой структуре, изменяет степень поляризации нейтронов. В этой связи, для определения коэффициентов отражения нейтронов от магнитно-неколлинеарной структуры R⁺⁺(Q), R^+-(Q), R^-+(Q) и , из которых определяются пространственные профили, необходимо знать вероятности переворота поляризации нейтронов магнитным полем fh1 и fh2 в областях ДО1 и ДО2, соответственно.

Технической задачей является измерение в деполяризующем поляризованные нейтроны магнитном поле пространственных профилей ядерного и магнитного потенциалов взаимодействия поляризованных нейтронов со слоистой структурой.

Техническая задача решается тем, что дополнительно измеряют в деполяризующем нейтроны магнитном поле четыре интенсивности пропускания поляризованных нейтронов через магнитное поле и четыре интенсивности отражения нейтронов от исследуемой структуры, из измеренных интенсивностей нейтронов в недеполяризующем и деполяризующем магнитных полях определяют соответствующие спиновым переходам нейтронов четыре коэффициента отражения нейтронов от исследуемой структуры в деполяризующем нейтроны магнитном поле, из коэффициентов отражения нейтронов определяют пространственные профили ядерного и магнитного потенциалов взаимодействия нейтронов со слоистой структурой в деполяризующем магнитном поле.

Существенным признаком изобретения является измерение четырех интенсивностей пропускания нейтронов через недеполяризующее нейтроны магнитное поле. Интенсивности нейтронов соответствуют четырем состояниям двух спин-флипперов, а именно "вкл, вкл", "вкл, выкл", "выкл, вкл" и "выкл, выкл". Эти интенсивности записываются в виде системы уравнений (1)

где I₀ - коэффициент, определяемый интенсивностью нейтронов на входе в поляризатор и эффективностью регистрации нейтронов детектором, Р_р - поляризующая способность поляризатора, Р_а - поляризующая способность анализатора, f1 - вероятность переворота поляризации нейтронов первым (входным) спин-флиппером, f2 - вероятность переворота поляризации нейтронов вторым (выходным) спин-флиппером. В результате из системы (1) определяются параметры I₀, РаРр, f1 и f2.

Существенным признаком изобретения является измерение четырех интенсивностей отражения нейтронов от калибровочной структуры с коэффициентами отражения Rc⁺⁺ и Rc^--. Эти интенсивности записываются в виде системы уравнений (2)

где F1=1-2f1, F2=1-2f2. В результате, из системы (2) определяются параметры Ра, Рр, Rc⁺⁺ и Rc^--.

Существенным признаком изобретения является измерение четырех интенсивностей пропускания нейтронов через деполяризующее нейтроны магнитное поле. Эти интенсивности записываются в виде уравнений (3)

где fs1=f1+fh1(1-2f1), fs2=f2+fh2(1-2f2). Из (3) определяют вероятности переворота поляризации нейтронов в магнитном поле fh1 и fh2 соответственно в областях DO1 и DO2 по соотношениям (4)

Существенным признаком изобретения является измерение в деполяризующем магнитном поле четырех интенсивностей отражения нейтронов от исследуемой структуры. Эти интенсивности записываются так

где Fh2=1-2fh2, Fs2=1-2fs2, Fh1=1-2fh1, Fs1=1-2fs1, R⁺⁺, R^+-, R^-+, R^-- - коэффициенты отражения нейтронов исследуемой структурой для спиновых переходов "++", "+-", "-+" и "--", соответственно.

В результате решения системы уравнений (5) определяются коэффициенты отражения нейтронов исследуемой структурой, а именно, R⁺⁺(Q), R^+-(Q), R^-+(Q), .

Из зависимостей коэффициентов отражений нейтронов R⁺⁺(Q), R^+-(Q), R^-+(Q), R^--(Q) определяют с использованием решений уравнения Шредингера пространственные зависимости ядерного U(x) и магнитного (Mz(x), Мху(х)) потенциалов взаимодействия нейтронов с исследуемой структурой. В результате, поставленная цель оказывается достигнутой. Слоистая структура, магнитные слои которой имеют большие значения коэрцетивной силы, может быть исследована в малых магнитных полях.

Осуществление изобретения продемонстрировано на Фиг. 1, на которой представлена схема рефлектометра поляризованных нейтронов, где:

- 1 и 2 - области магнитного поля, в которое помещена слоистая структура

- 3 - слоистая исследуемая или калибровочная структура

- 4 - пучок, проходящий магнитное поле и регистрируемый нейтронным детектором,

- 5 - пучок, отраженный от слоистой структуры и регистрируемый нейтронным детектором,

- 6 - поляризатор нейтронов,

- 7 - первый спин-флиппер нейтронов,

- 8 - второй спин-флиппер нейтронов,

- 9 - анализатор поляризации,

- 10 - детектор нейтронов,

- 11 и 12 - полюса электромагнита

Литература:

1. И.И. Гуревич, Л.В. Тарасов, Физика нейтронов низких энергий, Москва, Наука, 1965, 296 с.

2. Роr Р.Т., Kraan W.H., Rekveldt M. Th., Nucl. Instr. Meth. A. 1994. V. 339. P. 550.

Использование: для определения пространственных профилей ядерного и магнитного потенциалов взаимодействия поляризованных нейтронов со слоистой структурой. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют измерение в недеполяризующем нейтроны магнитном поле соответствующих четырем поляризационным состояниям нейтронов четырех интенсивностей пропускания нейтронов через магнитное поле и четырех интенсивностей отражения нейтронов от калибровочной структуры, при этом дополнительно измеряют в деполяризующем нейтроны магнитном поле четыре интенсивности пропускания поляризованных нейтронов через магнитное поле и четыре интенсивности отражения нейтронов от исследуемой структуры, из измеренных интенсивностей нейтронов в недеполяризующем и деполяризующем магнитных полях определяют соответствующие спиновым переходам нейтронов четыре коэффициента отражения нейтронов от исследуемой структуры в деполяризующем нейтроны магнитном поле, из коэффициентов отражения нейтронов определяют пространственные профили ядерного и магнитного потенциалов взаимодействия нейтронов со слоистой структурой в деполяризующем магнитном поле. Технический результат: обеспечение возможности измерения в деполяризующем поляризованные нейтроны магнитном поле пространственных профилей ядерного и магнитного потенциалов взаимодействия поляризованных нейтронов со слоистой структурой. 1 ил.

Способ определения пространственных профилей ядерного и магнитного потенциалов взаимодействия поляризованных нейтронов со слоистой структурой, включающий измерение в недеполяризующем нейтроны магнитном поле соответствующих четырем поляризационным состояниям нейтронов четырех интенсивностей пропускания нейтронов через магнитное поле и четырех интенсивностей отражения нейтронов от калибровочной структуры, отличающийся тем, что дополнительно измеряют в деполяризующем нейтроны магнитном поле четыре интенсивности пропускания поляризованных нейтронов через магнитное поле и четыре интенсивности отражения нейтронов от исследуемой структуры, из измеренных интенсивностей нейтронов в недеполяризующем и деполяризующем магнитных полях определяют соответствующие спиновым переходам нейтронов четыре коэффициента отражения нейтронов от исследуемой структуры в деполяризующем нейтроны магнитном поле, из коэффициентов отражения нейтронов определяют пространственные профили ядерного и магнитного потенциалов взаимодействия нейтронов со слоистой структурой в деполяризующем магнитном поле.