Размер шрифта: A A
Цвет сайта: A A A A
Полная версия сайта

Бета-ЯМР спектроскопияTitle

1.      Описание метода бета-ЯМР

Метод магнитного резонанса и релаксации поляризованных бета-активных ядер (бета-ЯМР спектроскопия) позволяет проводить неразрушающие исследования вещества и процессов в нем на пространственных масштабах от межатомных расстояний до нескольких нанометров. В частотно-временной области метод чувствителен к процессам, протекающим за времена от 10-5 с до 1 с и к магнитным и электрическим сверхтонким взаимодействиям с интенсивностью в интервале от 1 до 107 Гц. К ярким примерам исследований, проведенным этим методом можно отнести изучение процессов радиационного дефектообразования в литий-, фтор- и серебро-содержащих кристаллах [1], работы по исследованию ядерной спиновой динамики [2] и исследование переноса ядерной поляризации в статически неупорядоченных средах [3-7].

Группа ИТЭФ была среди пионеров в создании бета-ЯМР спектроскопии. Ей принадлежит первое в мире исследование, проведенное этим методом в физике конденсированных сред [8].

Поляризованные бета-активные ядра в среде являются прекрасными зондами локальных полей различной природы, среди источников которых, в первую очередь, следует указать сверхтонкие магнитные и электрические взаимодействия, а также диполь-дипольные взаимодействия. Они несут информацию о строении вещества и о движениях в нем. Возможны исследования во всех типах конденсированных сред: кристаллах, стеклах, жидкостях и т.д. Основные сведения о строении получаются из спектров бета-ЯМР, а движения проявляются в релаксации ядер, как продольной, так и поперечной относительно внешнего поля. Продольная релаксация наблюдается непосредственно, а поперечная – по формам линии ЯМР и кросс-релаксации. Результаты измерений, проведенных в бета-ЯМР спектроскопии, находят непосредственное применение в квантовохимических расчетах по строению веществ и в современной теории неравновесных процессов. Для структурных исследований и изучения дефектообразования и подвижности дефектов очень важно проводить измерения в широком температурном диапазоне, простирающемся от 4К до 700К и более. Для сравнения с квантовохимическими расчетами и для материаловедения очень важно проводить исследования ЯМР спектров в больших магнитных полях порядка 10 Тл. Метод позволяет проводить также изучение пространственных и временных корреляций в различных фазовых переходах, в т.ч. в магнетиках, сегнетоэлектриках и сверхпроводниках.

Особым достоинством метода является возможность проводить изучение релаксационных процессов в металлических образцах или в образцах, заключенных в металлические контейнеры, а также возможность изучения электрических квадрупольных взаимодействий ядер таких элементов, у которых стабильные изотопы не имеют квадрупольных моментов, как, например, у ядер фтора и серебра..

2.     Схема бета-ЯМР спектрометра

Основные узлы бета-ЯМР спектрометра представлены на Рис.1, см. также [4] и [9].

Рис.1 Блок-схема бета-ЯМР спектрометра ИТЭФ.

В настоящее время бета-ЯМР спектрометр, установленный на реакторе МИФИ, содержит

1 - коллиматор нейтронов, расположен в канале реактора и имеет длину 1 м при поперечном сечении 81.5см2$;

2 - поляризатор нейтронов, состоит из двух намагниченных кобальтовых зеркал каждое длиной 2 м и высотой 11 см, обращенных друг другу отражающими зеркальными поверхностями;

3 - поглотитель прямого пучка и , сделан из нержавеющей стали;

4 - прерыватель пучка поляризованных нейтронов, обеспечивает импульсное нейтронное облучение образца;

5 - спин-флиппер, предназначен для переориентации поляризации нейтронов, состоит из поворотного магнита, образующего ведущее магнитное поле 50 Гс (которое адиабатически поворачивает спин нейтрона на 900 от вертикального направления), и так называемой "фольги с током", создающей быстрое, неадиабатическое, изменение направления ведущего

магнитного поля на 1800; эффективность реверса поляризации - практически 100%;

6 - коллиматоры, ограничивающие отраженные нейтроны; и магниты, создающие ведущее магнитное поле, поддерживающее заданную ориентацию нейтронных спинов;

7 - электромагнит с зазором 14 см, создающий на образце постоянное внешнее магнитное поле;

8 - образец, расположенный в центре зазора электромагнита между бета-счетчиками 9; для приложения радиочастотного поля на образец наматывается проволочная катушка; при необходимости образец помещается в криостат или термостат;

9 - два сцинтилляционных счетчика-телескопа для регистрации электронов, испущенных бета-активными-ядрами по и против ядерной поляризации; каждый счетчик состоит из толстого (20 мм) и тонкого (1 мм) сцинтилляционных детекторов, включенных на совпадения для уменьшения фона;

10 - анализатор пучка нейтронов, отраженных от поляризатора; это намагниченное кобальтовое зеркало длиной 20 см, находящееся, как и поляризатор, в магнитном поле 600 Гс;

11 - счетчик нейтронов для измерения пространственного распределения нейтронного пучка, измерения его поляризации и мониторирования. 

Литература.

  1. Ю.Г.Абов, А.Д.Гулько, Ф.С.Джепаров, С.С.Тростин. С. 193-213 в «Некоторые проблемы современной ядерной физики». Ред. И.С.Шапиро. Наука, Москва 1989.
  2. Ю.Г.Абов, А.Д.Гулько, Ф.С.Джепаров и др., Статистическая динамика спиновых систем и b-ЯМР-спектроскопия. ЭЧАЯ 26, 1654, 1995.
  3. Ю.Г.Абов, А.Д.Гулько, Ф.С.Джепаров и др., Исследование зависимости переноса поляризации в неупорядоченной системе ядер 8Li–6Li от внешнего магнитного поля. ЯФ 77, 721, 2014
  4. A. D. Gul’ko, O. N. Ermakov, S. V. Stepanov, S. S. Trostin. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism 20, 169, 2007.
  5. F.S.Dzheparov, A.D.Gulko, O.N.Ermakov, A.A.Lyubarev, S.V.Stepanov and S.S.Trostin. Kinetics of the polarization transfer in spatially disordered spin systems: Depolarization of impurity beta-active nuclei. Appl. Magn. Reson. 35, 411, 2009
  6. Yu. G. Abov, F. S. Dzheparov, A. D. Gulko, D. V. Lvov. Magnetic Resonance and Relaxation of Polarized Beta-Active Nuclei: Modern State and Visible Trends. Appl Magn Reson 45, 1205, 2014.
  7. Yu.G.Abov, A.D.Gul'ko, P.A.Krupchitsky, S.S.Trostin, O.N.Yermakov. Nucl. Phys. 34, 505, 1962.
  8. А.Д.Гулько, О.Н.Ермаков, С.В.Степанов, С.С.Тростин. Инженерная физика 2007, №2, с. 94-104.

Наверх