Спецвыпуск "Молодежь и наука"

Второе дыхание перспективной методики

В прошлом году наша газета уже знакомила читателей с Владимиром ЖАКЕТОВЫМ, младшим научным сотрудником сектора нейтронной оптики Лаборатории нейтронной физики, удостоенным Президентской стипендии. Сегодня мы попросили Владимира рассказать о модернизации установки, о том, как работается в лаборатории.

Моя работа в Лаборатории нейтронной физики началась в 2014 году, сразу после окончания университета. Тогда хотелось посвятить себя амбициозным и перспективным научным задачам. Многообразием исследований меня тогда привлекла нейтронная физика. С одной стороны, современные исследовательские нейтронные источники, в том числе ИБР-2, это сложнейшие физические установки класса мега-сайенс. С другой стороны, поражает диапазон исследований, проводимых на данных источниках: от фундаментальных свойств нейтрона до исследования различных биологических наносистем. Здесь стоит также отметить уникальность реактора ИБР-2. Это ядерный реактор, тем не менее он является импульсным, хотя последнее характерно для другого типа современных нейтронных источников, так называемых spallation neutron source, работающих на принципе генерации нейтронов неразмножающей мишенью при рассеянии на ней импульса заряженных частиц. На выведенных нейтронных пучках подобных исследовательских реакторов реализуются различные экспериментальные методики и соответственно расположены различные типы спектрометров. Сначала меня скорее интуитивно привлекли задачи, которыми занимается группа Юрия Васильевича Никитенко на рефлектометре поляризованных нейтронов РЕМУР, расположенном на 8-м канале реактора ИБР-2. Спустя некоторое время, как мне кажется, интуиция тогда не подвела.

Электромагнит с автоматизированным управлением для создания внешнего магнитного поля, приложенного к образцу.
Слева направо: В.Д.Жакетов, Ю.В.Никитенко, А.В.Петренко.

Основные объекты исследований в рефлектометрии поляризованных нейтронов - это так называемые низкоразмерные гетероструктуры, то есть "сэндвичи" из слоев различных металлов, иногда даже полимеров. Толщина слоев при этом от единиц до сотен нанометров. Такие толщины соразмерны с различными характерными длинами, известными в физике твердого тела, например длина свободного пробега электрона или размер сверхпроводящей электронной пары. Данное условие обеспечивает богатую физику, характерную для низкоразмерных гетероструктур, которая не может наблюдаться в макроскопическом объеме вещества. Бурный интерес к таким структурам был стимулирован открытием эффекта гигантского магнитного сопротивления в структурах с чередующимися ферромагнитными и проводящими немагнитными слоями. За данное открытие ученые Альбер Ферт и Петер Грюнберг были удостоены Нобелевской премии в 2007 году.

Возвращаясь к методике рефлектометрии поляризованных нейтронов (РПН), давайте рассмотрим, чем она может быть полезна для исследования подобных структур. Название методики происходит от английского reflectivity, что переводится, как коэффициент отражения. Таким образом методика заключается в регистрации отраженного от гетероструктуры, сколлимированного пучка тепловых нейтронов. При этом, из-за соразмерности длины волны нейтрона и толщин слоев структуры, происходит интерференция нейтронных волн. В результате зависимость коэффициента отражения нейтрона от его длины волны несет в себе информацию о толщинах слоев и о распределении суммарной плотности вещества для всех изотопов и элементов по глубине структуры. Аналогично такое же можно наблюдать и для электромагнитного излучения. Но фотоны взаимодействуют с электронными оболочками атомов, а нейтроны с ядрами вещества, в результате чего они чувствительны к изотопному составу. Помимо прочего использование именно нейтронов актуально с той точки зрения, что нейтрон имеет собственный момент - спин и связанный с ним магнитный момент. Это свойство важно при исследовании магнитных гетероструктур, поскольку для различных состояний поляризации нейтрона коэффициенты отражения отличны. Благодаря этому можно извлечь распределение намагниченности по глубине структуры, возможен и переворот спина нейтрона в случае наличия в системе несонаправленной внешнему магнитному полю намагниченности.

Исследуемый образец, размещенный в защите от фонового излучения.

Как уже упомянуто выше, нейтронная рефлектометрия позволяет определить распределение по глубине структуры только суммарной для всех элементов и их изотопов плотности вещества. Поэтому зачастую методика РПН сводится к определению магнитного профиля структуры, а для определения распределения элементов используются взаимодополняющие методики, например, вторичная нейтральная масс-спектрометрия. Но предлагается использовать несколько иной подход. При поглощении нейтронов различными изотопами возможны разные каналы взаимодействия, при которых возникает вторичное излучение - заряженные частицы, гамма-кванты, осколки деления ядер. В рамках данного подхода вторичным излучением можно считать и нейтроны, перевернувшие спин при взаимодействии с магнитно-неколлинеарной структурой и при рассеянии на ядрах со спином. Таким образом, зная, какой сигнал следует ожидать от конкретного изотопа или магнитного элемента, можно одновременно с рефлектометрической картиной получить сигнал вторичного излучения и определить распределение только данного изотопа. Это в некоторой степени аналогично применению комплементарных методик. Но в данном случае регистрация происходит одновременно с измерением рефлектометрической картины. Методика, основанная на данном подходе, получила название изотопно-идентифицирующей нейтронной рефлектометрии.

Рассмотрим другой аспект данной методики. Представьте себе, что структура нанесена на слой с высоким значением коэффициента отражения. Тогда падающая нейтронная волна и отраженная будут накладываться друг на друга. При этом возможно наблюдение пучности нейтронной плотности, зависящей от положения в пространстве. Если исследуемый слой находится в такой пучности, то возможно усиление поглощения нейтронов и соответственно увеличение сигнала вторичного излучения. Наибольший интерес данное явление представляет в диапазоне малых энергий нейтронов, для которого наблюдается полное отражение нейтронов, т. е. не наблюдается прохождения нейтронов сквозь структуру. Применение такого подхода позволяет реализовать большую чувствительность к пространственному распределению элементов по глубине структуры.

Впервые вторичное излучение в виде гамма-квантов при отражении нейтронов от структуры, содержащей слои гадолиния, который обладает большим сечением реакции (n, ), было получено американскими учеными еще в далеком 1994 году. Американцы проводили исследования на источнике нейтронов с постоянной длиной волны нейтрона. Исследования в Дубне на ИБР-2 были проведены в 1998-2000 годах. Здесь большим преимуществом оказалось то, что ИБР-2 является импульсным источником, на котором метод времени пролета позволяет за одно измерение получить информацию для различных значений энергии нейтронов. Тогда в Дубне был получен также сигнал от образцов со слоями изотопа лития-6 в виде тритонов и альфа-частиц. Таким образом дубненские ученые продвинулись несколько дальше. Тем не менее, ввиду прочих задач и модернизации реактора, методика не получила развития в дальнейшие годы, но все эти годы никто не забывал о необходимости ее реализации на новом, более серьезном уровне.

Так, в 2014 году было принято решение модернизовать спектрометр в рамках реализации проекта изотопно-идентифицирующей рефлектометрии. Проект реализуется в коллаборации двух отделов Лаборатории нейтронной физики: научных исследований конденсированных сред (Ю.В.Никитенко, А.В.Петренко, В.Л.Аксенов, В.Д.Жакетов) и ядерной физики (Ю.Н.Копач, Н.А.Гундорин, Ю.М.Гледенов, Э.Сансарбаяр). Это прекрасный пример взаимодействия двух отделов. На данный момент изготовлена и испытана ионизационная камера для одновременных нейтронных рефлектометрических измерений и регистрации заряженных частиц. Более серьезная модернизация спектрометра проведена в рамках создания канала регистрации гамма-квантов. Большая часть оборудования была изготовлена в мастерской ЛНФ. Сборка канала на рефлектометре была закончена совсем недавно, тестирование и отладка канала происходит непосредственно сейчас.

В ближайшие годы предполагается развитие методики и реализация уже непосредственно научной программы. Диапазон возможных исследований крайне широк, поскольку многие изотопы представляют собой источники гамма-квантов, а также являются источниками заряженных частиц при взаимодействии с нейтронами. В частности, применение методики актуально для исследования сосуществования ферромагнетизма и сверхпроводимости в слоистых структурах. Так, гадолиний является ферромагнетиком с относительно низкой температурой Кюри, чем и привлекателен для подобных исследований. Мы надеемся, что применение метода изотопно-идентифицирующей рефлектометрии значительно расширит возможности исследований сложных гетероструктур.

Канал регистрации гамма-частиц на спектрометре РЕМУР реактора ИБР-2.