авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Метод времени пролета и нейтронные исследования конденсированных сред с использованием импульсного магнитного поля

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК:539.27

Нитц Владимир Вольдемарович

МЕТОД ВРЕМЕНИ ПРОЛЕТА И НЕЙТРОННЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО

МАГНИТНОГО ПОЛЯ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Дубна - 2006

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединенного института ядерных исследований

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.К.Звездин

доктор физико-математических наук, профессор В.А.Соменков

Ведущая организация:

ГНЦ РФ – Физико-Энергетический Институт им. А.И.Лейпунского

Защита состоится “___”______________20___ г. в ____ часовна заседании Диссертационного Совета Д-002.115.01 при Петербургском Институте Ядерной Физики им. Б.П.Константинова РАН по адресу: 188300, г. Гатчина Ленинградской области, ПИЯФ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ПИЯФ РАН.

Автореферат разослан “ ” 20____ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.А.Митропольский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

  • В диссертации представлены первые работы по разработке метода времени пролета нейтронов для структурных исследований. В последующие годы этот метод получил широкое распространение. Можно сказать, что создание существующих и проектируемых мощных источников нейтронов на основе протонных ускорителей (spallation sources) в значительной мере обязано развитию времяпролетной методики.
  • Что касается использования импульсного магнитного поля, то максимальное постоянное поле, доступное для исследований с помощью нейтронов, составляло в то время всего 45 кЭ. Область значений поля, 70 - 200 кЭ, характерная для ориентационных фазовых переходов, оставалась закрытой для исследований с помощью нейтронов. В отличие от классических магнитных методов исследований (таких как измерение намагниченности, восприимчивости и др.), дифракция нейтронов позволила однозначно определять магнитную структуру и ее изменение. Уже в наших первых исследованиях с импульсным полем на импульсном реакторе использовалось поле до 120 кЭ.
  • Нейтронные исследования кинетики быстрых переходных процессов, в частности, кинетики магнитных фазовых переходах первого рода, возможны только в импульсных полях. Во многих случаях для этого достаточны поля, не превышающие 100 кЭ. Даже использование импульсов синусоидальной формы позволило изучать гистерезисные процессы динамического характера в быстро изменяющемся поле.
  • Когда начинались наши измерения с импульсным полем на ИБРе (1968 г.), большой интерес вызывали исследования “слабого ферромагнетизма” в антиферромагнетиках. Была теория, объясняющая этот эффект, но известные экспериментальные данные не допускали однозначной интерпретации. Наши нейтронные измерения с импульсным полем на гематите были очень своевременны для однозначного подтверждения теории эффекта.
  • Многие результаты исследований, полученные нами на нейтронных спектрометрах с импульсным полем, были неожиданными и, по сути, послужили обнаружением новых эффектов. Сюда относится, прежде всего, “аномальное” увеличение нейтронного рассеяния в гематите в поле около 50 кЭ. В дальнейшем выяснилось, что “аномалия” связана со спецификой фазовой перестройки при переходе первого рода и с нетривиальными особенностями дифракции нейтронов в монокристалле. В последующих измерениях было обнаружено и исследовалось дифракционное рассеяние на зародышах нового фазового состояния, спонтанно возникающих при другом магнитном переходе первого рода. Другими методами такие эффекты не могли быть обнаружены. По существу, было открыто новое направление нейтронных исследований с импульсным магнитным полем, - изучение кинетики фазовой перестройки.

Цель работы.



1. Разработать и применить метод времени пролета нейтронов на импульсном источнике для определения структуры кристаллических веществ.

2. Развить технику нейтронных исследований конденсированных сред с использованием импульсного магнитного поля на различных источниках нейтронов.

3. Выполнить ряд исследований магнитоупорядоченных кристаллических веществ с использованием импульсного магнитного поля.

4. Рассчитать фазовую диаграмму гематита во внешнем магнитном поле и проанализировать характер фазовых переходов в других магнетиках с ромбоэдрической структурой.

Научная новизна.

1. Проведены первые работы по использованию метода времени пролета в исследованиях структуры вещества на импульсном источнике нейтронов.

2. Создана первая в мире установка для нейтронных измерений структуры вещества в импульсных магнитных полях (на реакторе ИБР) и проведены исследования на этой установке. Разработан и реализован еще один спектрометр с импульсным полем - на импульсном реакторе ИБР-30.

3. Разработан целый ряд новых методов нейтронных исследований с импульсным магнитным полем на импульсных и стационарных источниках нейтронов.

4. Впервые исследовалось дифракционное рассеяние на зародышах нового фазового состояния, спонтанно возникающих при индуцированном импульсным полем магнитном фазовом переходе первого рода.

5. Впервые рассчитана полная фазовая диаграмма a-Fe2O3 во внешнем магнитном поле. Получен ряд особенностей диаграммы, не исследованных пока в экспериментах; в частности на фазовой диаграмме (HyHzT): область фазового перехода второго рода, область фазового перехода первого рода с линией критических точек, линия квазитройных точек, “суперкритическая” точка, в которой сходятся трикритическая линия, линия квазитройных точек и линия критических точек перехода первого рода, - все это ниже точки Морина, кроме того, еще одна линия квазитройных точек вблизи точки Морина.

6. Теоретически проанализировано поведение и характер фазовых переходов во внешнем магнитном поле ряда соединений с ромбоэдрической структурой.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Проведены первые дифракционные измерения с поликристаллическими образцами по времени пролета на реакторе ИБР, показавшие работоспособность и перспективность этого метода в исследованиях структуры кристаллических веществ. Эти измерения послужили основанием для дальнейшего развития метода.

2. Выполнены первые исследования монокристаллических веществ на реакторе ИБР с использованием импульсного магнитного поля, явившиеся началом нового направления в экспериментальных исследованиях конденсированных средах.

3. На импульсных реакторах ИБР и ИБР-30 созданы спектрометры с импульсными магнитными установками.

4. Разработан целый ряд новых методов нейтронных исследований с импульсным полем на импульсных и стационарных источниках нейтронов. Многие из них были использованы в наших экспериментах.

5. В первых физических измерениях на реакторе ИБР с импульсным полем:

а) Подтвердился характер изменения магнитной структуры гематита в поле, перпендикулярном ромбоэдрической оси кристалла, который предсказывался теоретически;

б) Обнаружен пик аномального рассеяния около 50 кЭ. Дано объяснение этого эффекта, которое послужило началом нового направления в нейтронных исследованиях магнетизма;

в) Определен знак константы “смешанной” анизотропии d.

6. Результаты исследований с импульсным полем на реакторе ИБР-30 интерпретируются как регистрация дифракционного рассеяния на зародышах нового фазового состояния, которые возникают в большом количестве при фазовом переходе первого рода в монокристалле гематита.

7. Представлены расчеты фазовой диаграммы гематита, соответствующие произвольному направлению магнитного поля. Получен ряд неизвестных ранее особенностей диаграммы: линии трикритических точек, линия критических точек фазового перехода первого рода, две линии квазитройных точек, в каждой из которых сходятся по две поверхности перехода первого рода и одной поверхности перехода второго рода, а также “суперкритическая” точка, в которой сходятся трикритическая линия, критическая линия перехода первого рода и квазитройная линия.

Практическая ценность.

1. Первые дифракционные измерения структуры кристаллических веществ методом времени пролета нейтронов на реакторе ИБР получили дальнейшее развитие и стали основным методом, используемым для таких задач на всех импульсных источниках нейтронов в различных странах.

2. Использование импульсного магнитного поля в сочетании с дифракцией тепловых нейтронов не только является дополнительным методом к другим известным методам исследования магнитных свойств веществ, но и во многих задачах превосходит эти методы по однозначности в определении изменений магнитной структуры и в чувствительности к этим изменениям.

3. Нейтронные исследования структуры и динамики магнитной подсистемы кристаллических веществ в импульсном магнитном поле значительно расширяют диапазон доступных для физических измерений значений магнитного поля.

4. Применение импульсных полей позволяет выполнять нейтронные исследования, связанные с кинетикой быстрых переходных процессов в конденсированных средах.

Апробация и публикация работ.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и совещаниях: Third International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, May 1964; International Symposium on Inelastic Scattering of Neutrons in Solids and Liquids, Bombay, December 1964; Совещание по неупругому рассеянию медленных нейтронов в кристаллах и жидкостях, Дубна, 1965; International Symposium on Inelastic Scattering of Neutrons in Solids and Liquids, Copenhagen, May 1968; International Conference on Magnetism, Moscow, August 1973; несколько Всесоюзных Совещаний по использованию рассеяния нейтронов в физике твердого тела, начиная с 1965 г. (Рига-1965, Минск-1967,....,Заречный-1993, ….,Обнинск-1999, Гатчина-2002; Low Temperature Conference (Dubna-1994); Международная школа по нейтронной физике (Алушта-1986), и другие физические симпозиумы и совещания.

Основное содержание диссертации изложено в 39 публикациях автора, включая 5 изобретений. Список этих публикаций приведен в диссертации и в конце автореферата. Кроме того, в конце автореферата приведен дополнительный список литературы, используемой при написании диссертации и состоящий из 40 наименований.

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена в шести главах, Заключении с выводами и Списке публикаций. Работа содержит 168 страниц, 76 рисунков, список литературы диссертанта из 39 наименований. Списки литературы, используемой при написании диссертации, приведен в конце каждой главы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Введение

В первой главе представлена история развития метода времени пролёта: а) первые применения этого метода в структурных исследованиях на импульсном реакторе ИБР, б) использование метода времени пролёта для определения изменения магнитных структур при действии импульсного магнитного поля.

Хотя идея о возможности времяпролетной методики для определения структуры кристаллических веществ с помощью нейтронов в 1962 году была не нова, реализация ее стала актуальной с созданием первого импульсного реактора, ИБРа. Были выполнены наши первые дифракционные измерения [1-5] с поликристаллическими веществами, которые показали перспективность этого метода и ряд его преимуществ перед классическим методом работы на стационарных реакторах. Этот метод получил дальнейшее развитие в ЛНФ, особенно в связи с созданием нового, более мощного импульсного реактора ИБР-30. В настоящее время времяпролетная методика широко используется в структурных исследованиях на всех импульсных источниках нейтронов, созданных в различных странах.

В 1968 году в лаборатории был создан первый дифрактометр для измерений с использованием импульсного магнитного поля и на реакторе ИБР проведены исследования магнитной структуры гематита в поле до 120 кЭ [12,13]. В сущности, это были первые времяпролетные измерения структуры на монокристаллическом образце.





В 1974 году измерения с полем были возобновлены на новом реакторе, ИБР-30, который имел мощность около 25 кВт при частоте вспышек 3.8 - 5.2 с-1. Был выполнен цикл исследований по наблюдению дифракции на магнитных зародышах нового фазового состояния, возникающих при фазовом переходе первого рода, индуцированном импульсным поле [15,16,18-20]. Эти измерения производились на новом, более совершенном спектрометре СНИМ-1 [17] при амплитуде импульсов поля до 90 кЭ. В этих экспериментах проявились уникальные возможности метода в изучении начальной стадии фазовых переходов, когда возникающие зародыши нового фазового состояния имеют еще микроскопические размеры, порядка 100 - 1000 Ангстрем.

Эффекты по рассеянию нейтронов на зародышах нового фазового состояния, полученные на реакторах ИБР и ИБР-30, не наблюдались какими-либо другими методами.

В процессе развития работ с импульсным полем был выполнен ряд разработок методического характера [9-11,15,31,34,1и-5и]. Некоторые из них уже испольовались в наших практических исследованиях на импульсном реакторе. Другие будут полезными для дальнейшего развития возможностей экспериментов с импульсными полями на импульсных и стационарных источниках нейтронов.

Существенное значение имело выяснение вопроса о временном и полевом разрешении при измерении дифракции нейтронов с импульсным полем [9,34].

Работа по анализу дифракции нейтронов на крупноблочных монокристаллах позволила, при выборе определенных условий эксперимента, повысить интенсивность нейтронов, несущих полезную информацию об изменении состояния образца, в 5 - 10 раз по сравнению с условиями измерений, в которых выполняется кинематическое приближение.

В связи с измерениями по наблюдению рассеяния на зародышах нового фазового состояния, которые проводились на реаторе ИБР-30, было выполнено исследование характера дифракции на множестве таких зародышей, возникающих в монокристалле при фазовой перестройке.

Произведен подробный анализ возможностей применения методов неупругого когерентного рассеяния нейтронов для определения изменений динамики кристаллического состояния при действии импульсного магнитного поля.

Проанализированы возможности одноразовых дифракционных измерений с использованием полей экстремальной величины, в несколько МегаЭрстед, в сочетании с реакторами однократного действия, имеющими наиболее высокие мгновенные потоки нейтронов.

Выполнен цикл работ по расчету фазовой диаграммы гематита в магнитном поле [24-29]. Построена полная фазовая диаграмма, имея в виду произвольное направление поля.

2. Фазовая диаграмма гематита и поведение ромбоэдрических

кристаллов в магнитном поле

Фазовой диаграмме гематита и поведению во внешнем магнитном поле других соединений с ромбоэдрической структурой посвящена вторая глава. Исходя из симметрии магнитных фазовых состояний, проанализированы возможные фазовые переходы в магнитном поле [24-29]. Рассчитаны фазовые диаграммы (HyHzT), (HxHzT) и (HxHyT) ниже точки Морина (TM = 260 K) (ось z направлена вдоль ромбоэдрической оси кристалла, ось x - одна из осей второго порядка). Качественно построена фазовая диаграмма гематита выше TM.

В качестве примера на рис.1 приведена диаграмма (HyHzT) в температурной области от 0 до 247 K, а на рис.2 - более детально показана ее часть. Тонкими линиями обозначены изотермы фазовых переходов. Часть поверхности, ограниченная линиями CD и FK, является поверхностью фазового равновесия при переходе первого рода. Остальная часть поверхности, между FK и плоскостью (HzT) (при Hy = 0), является поверхностью фазового перехода второго рода. Узкая полоска BAEK, прилегающая к плоскости (HzT), расположена под поверхностью перехода второго рода и только при повышении температуры и приближении к точке L пересекается с поверхностью перехода второго рода. Эта полоска является поверхностью перехода первого рода между двумя состояниями, совпадающими по симметрии и отличающимися лишь направлениями вектора антиферромагнетизма.

 азовая диаграмма гематита в-0

Рис.1 Фазовая диаграмма гематита в магнитном поле.

 олее детальное представление-1

Рис.2 Более детальное представление фазовой диаграммы (HyHzT) вблизи “суперкритической” точки K.

Отрезок EK ограничивает поверхность перехода первого рода и является, таким образом, критической линией перехода первого рода. Отрезок FK, разделяющий поверхности первого и второго рода, является трикритической линией.

По мере роста температуры каждая изотерма pq фазового перехода второго рода сближается с соответствующей изотермой ae перехода первого рода (см. рис.2). Начиная с температуры, соответствующей точке L, они пересекаются, и далее каждый отрезок, заключенный между линиями LM и LK, является изотермой прямого фазового перехода первого рода.

В точке K на фазовой диаграмме сходятся трикритическая линия FK, критическая линия EK и линия тройных точек LK. Эта точка названа “суперкритической точкой”.

Рис.3. Фазовая диаграмма гематита в окрестности и выше точки Морина.

На рис.3 приведена фазовая диаграмма гематита (HyHzT) вблизи и выше точки Морина [26,27]. Состояния I и I1 одинаковы по симметрии, но отличаются направлениями векторов l и m. Oi - это особые точки фазовых переходов. Тонкими линиями условно показаны границы метастабильности фазовых состояний. На линиях O2O4 и O3O5 происходят фазовые переходы второго рода, соответственно, на поверхности O2O4O5O3 - переход I1ЫII второго рода. O3C - линия перехода VЫII первого рода в поле Hz а по линии, обозначенной от точки O2 вверх-влево, имеет место переход IЫII первого рода в поле Hy. На поверхности TMO2O3 происходит переход IЫI1 первого рода в поле (HyHz). В треугольнике TIV-IIO4O5 имеем переход IVЫII первого рода, следовательно, O4O5 - трикритическая линия. Линия O2O3, на которой сходятся две поверхности переходов первого рода и одна поверхность перехода второго рода, это линия своеобразных “квазитройных точек”.

Отметим, что до построения нами фазовых диаграмм известен был только характер диаграммы гематита ниже точки Морина в поле Hy и в поле Hz.

3. Разработка метода времени пролета в структурных исследованиях и использование его в измерениях с импульсным магнитным полем на ИБРе

На рис.5 приведена одна из первых нейтронограмм, полученная на ИБРе (1962-1963 гг. [1-5], поликристалл кремния, мощность реактора 1 кВт).

К 1968 году была создана импульсная магнитная установка и проведены дифракционные измерения [12,13] фазового перехода в монокристалле гематита при T=78 К в магнитном поле, перпендикулярном ромбоэдрической оси (при мощности реактора 6 кВт, частоте вспышек реактора 0.2 с-1. Геометрия дифракционной части установки показана на рис.6.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.