1 / 32

Перспективы нейтронной корреляционной дифрактометрии

Перспективы нейтронной корреляционной дифрактометрии. Корреляционная техника в рассеянии нейтронов Нейтронная фурье-дифрактометрия - основные моменты Фурье-дифрактометр высокого разрешения ( ФДВР) на ИБР-2 ; 20 лет работы Перспективы фурье-дифрактометрии на источниках нейтронов.

aricin
Download Presentation

Перспективы нейтронной корреляционной дифрактометрии

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Перспективы нейтронной корреляционной дифрактометрии • Корреляционная техника в рассеянии нейтронов • Нейтронная фурье-дифрактометрия - основные моменты • Фурье-дифрактометр высокого разрешения (ФДВР) на ИБР-2; 20 лет работы • Перспективы фурье-дифрактометрии на источниках нейтронов A.M.Balagurov bala@nf.jinr.ru

  2. Первые работы по нейтронной корреляционной технике Дубна, 1972 IAEA, Vienna, 1968 Гатчина, 1972 Дубна, 1977 BNL, 1975

  3. Корреляционные дифрактометры 1. 1968 pseudo- random FR-2, Karlsruhe closed 2. 1975 Fourier BNL, USA closed 3. 1975 RTOF Fourier Espoo, Finlandclosed 4. 1984 RTOF Fourier m-SFINKS, PNPIclosed 5. 1984 pseudo-random KORA, IBR-2 closed 6. 1988 RTOF FourierFSS, GKSSclosed 7. 1992 RTOF Fourier HRFD, IBR-2 operational 8. 2002 RTOF Fourier FSD, IBR-2 operational 2003 pseudo-random POLDI, PSIoperational 2014 pseudo-random Corelli, SNS under construction

  4. TOF метод с дисковым прерывателем L Δt = (a/2πR)·T = 3.3 μs,I = 0.0003·I0 a =1 mm, R=50 cm, ν=(1/T0)=4000 rpm λ1 λ2 λ1 λ2 LD t T Δt≈ 1/Ω≈15 μs, I = 0.25·I0 W ~ Δt0, I ~ I0, Δd ~ T0 W ~ Δt0, I ~ 2I0, Δd ~ T0/2 W ~ Δt0, I ~ 4I0, Δd ~ T0/4

  5. Нейтронная корреляционная дифрактометрия Steady State Reactor TOF conventional TOF correlation Fermi chopper Fourier chopper Statistical chopper Gd Al

  6. Спектрометр с прерывателем на реакторе (немного математики) σ(t)– сечение рассеяния нейтронов кристаллом (t~ d = 1/H ~ 1/Q) R(t, ω) – функция пропускания прерывателя при частоте вращения ω I(ω, t) ~ ∫ σ(τ)·R[(τ - t), ω] dτ– интенсивность в детекторе R(t, ω]~ δ(t),I(t) ~ σ(t)TOF метод R(t, ω)~ периодическая функция, I(ω) ~ ∫ σ(τ)·sin(ωτ)dτФурье-метод R(t, ω]~ случайная функция, статистический метод если ∫R(t – t´)·R(t´– τ)dt´ ~ δ(t – τ) – автокорреляционная функция

  7. Pseudo-random chopper at a continuous neutron source FR-2, Karlsruhe Al (pR) Al (TOF) Cd (pR) Cd (TOF) POLDI, PSI, SINQ

  8. Fast Fourier chopper technique for high-resolution neutron diffraction Step 1 (1968) J.F.Colwel, P.H.Miller, and W.L.Whittemore (San Diego, USA) “A New High-Efficiency Time-of-Flight System” Neutron Inelastic Scattering, IAEA, Vienna, 1968, p. 429. Step 2 (1971) A.C.Nunes, R.Nathans, B.P.Schoenborn (BNL, USA) “Neutron Fourier Chopper for Single Crystal Reflectivity Measurements” ActaCryst. A27 (1971) 284. Step 3 (1972) P.Hiismaki (VTT, Finland) “Inverse Time-of-Flight Method” Neutron Inelastic Scattering, IAEA, Grenoble, 1972, p. 803. Steps 4 – 7: First high-resolution Fourier diffractometers: mini-SFINKS (PNPI, Russia,1985), steady-state reactor, Δd/d≈ 0.002 FSS (GKSS, Germany, 1994), steady-state reactor, Δd/d≈ 0.004 HRFD (JINR, Russia, 1994), pulsed reactor, Δd/d≤ 0.0009 FSD (JINR, Russia, 2002), pulsed reactor, Δd/d≤ 0.002

  9. Experimental set-up: HRFD instrument at the IBR-2 IBR-2 IBR-2, TOF W = 350 μs R = 0.01 IBR-2, RTOF W = 15 μs R = 0.001

  10. Resolution of a TOF diffractometer R(t, θ) = d/d = [(t0/t)2 + (θ/tgθ)2]1/2 t ~ L, R  0ift0  0 or L   and θ  0 orθ  /2 TOF: t0 ≈ 11·λ, L ≈ 100 m, t0/t ≈ Const ≈ 4·10-4 Problems: long flight path, pulse overlapping Fourier: t0 ≈ Const ≈ 10 μs, L ≈ 21 m, t0/t ≈ 1·10-3/d = 5·10-4 for d = 2 Å Advantages: short flight path, no pulse overlapping

  11. HRFD resolution The utmost TOF resolution of HRFD For V=11,000 rpm & L=30 m Rt=0.0002 (0.0009 now) Na2Al2Ca3F14, R=1.1·10-3 for d=2 Å

  12. Resolution of a neutron diffractometer 1) λ = Const R(d) is a complicated function with a deep minimum 2) TOF Δt0~λ→ R(d) ≈ Const 3) Fourier Δt0≈ Const → R(d) ≈ [A2 + (B/d)2]1/2 → A for large d

  13. NAC-стандарт (Na2Al2Ca3F14) на TOF-иλ0-дифрактометрах TOF diffractometer HRFD: 2θ0 = 152, wavelength range = 1.2 – 7.2 Å λ0 diffractometer HRPT:λ0 = 1.886 Å, range of scattering angles = 10 - 165. 13

  14. Нужны холодные нейтроны! Высокое (вверху) и среднее (внизу) разрешение. Магнитные пики приd ≈ 3.9 Å не видны на теплом источнике. Дифракционные спектры, измеренные на холодном и теплом источниках 14

  15. HRFD resolution W2 = C1 + C2d2 + C3d2 + C4d4 Size effect, C4~ (1/L)2 Stress effect, C3=(a/a)2 Resolution function of TOF-diffractometer

  16. Некоторые результаты Successive structural phase transitions in Pr0.5Sr0.5CoO3 Distortion of the (Pr,Sr)O12cubooctahedron in Pr0.5Sr0.5CoO3 Phase separation in Pr0.5Sr0.5CoO3 1994 – 2013:~70 PRL + PRB + J. Phys.:12 ЖЭТФ+ Письма в ЖЭТФ: 9 NiO, T = 293 K R-3m, α= 60.07° d200 = 2.4122 Å d222 = 2.4087 Å Δd/d = 0.0015 16

  17. In Operando data for LixFePO4:Vδ– LiCn battery (10 min/patt. Evolution of the neutron diffraction patterns measured during three charge/discharge (~70 hours) cycles. “Anode window” is marked. 3D view of the “anode-window” region for all three cycles of charge/discharge processes LiC12 Enlarged chart of the initial (discharged) state with pure graphite line (d = 3.35 Å) and stepwise appearance of LiC24 (d = 3.47 Å) and LiC12 (d = 3.47 Å). LiC24 LiC6 Graphite 17 17

  18. Ex Situ data for LixFePO4:Vδ – LiCn battery 18

  19. RTOF Fourier technique for diffraction • Good news: • All positive features of TOF diffractometer • Highest resolution at shortest flight path • Resolution is only slightly depends on dhkl • Large d-spacing range, no overlapping problem • High – Low resolution can be easily switched Bad news: • Small d-spacings (<0.6 Å) can not be measured • Very large d-spacings (>6 Å) can not be measured in HR mode • TOF component of the resolution function is ~1/d • Correlation background can not be excluded • Peak shape can be hardly modeled analytically • Long-term mechanical stability is a problem • Complicated for understanding

  20. HRFD correlation background I(t) ~ ± Rs(t-)Rc(t-)()d + c Rs(t-)()d + B Pulsed source:Bcor(t) ~Rs(t-)()dReactor:Bcor(t) ~ ()d = Const Rc is Fourier chopper pulse, Rs is source pulse, B is conventional background  is scattering cross-section Ratio  [ ()d]-1  ≈ 0.020

  21. Дальнейшее развитие ФДВР • Детектор большой площади, комбинированная геометрическая и электронная фокусировка(~600 K$)(возможно 10-кратное увеличение светосилы) • Новая электроника набора данных (List mode) • Новый оптимизированный фурье-прерыватель с новой системой формирования pick-up сигналов (~150 K$) • Новый оптимизированный нейтроновод (~230 K$) • … Всего: ~980 K$

  22. Ring W, str 0 0.050 1 0.202 2 0.208 3 0.216 4 0.225 5 0.237 6 0.252 7 0.202 8 0.221   1.813 New Back Scattering Detector ZnS(Ag)/6LiF Ω = 1.5 Sr S = 13.5 m2 ≈190 elements Rg: from 0.0004 to 0.0009 Geometrical contribution to the resolution function for sample of 5x5x5 mm3 V.A.Kudryashev, ICANS-XIX

  23. 64 Det 64 Det 64 Det FPGA 1 FPGA 5 SerDes FPGA2 16 HM (64MB) Optical transformer 48 Det + 16 optofiber FPGA 3 FPGA 4 List-mode(time stamped)data acquisition system Chopper events Detector events Recovered diffraction pattern

  24. Что дает List-mode • Возможность работы с многоэлементными детекторами • Улучшение разрешения за счет электронной фокусировки • Введение многоуровнегоpick-up сигнала • - улучшение разрешения, • - уменьшение корреляционного фона • Оперативный контроль частотного окна, автокорреляционной функции • Возможность устранения фазовых сдвигов, …

  25. High Resolution Powder Diffractometer at ESS (proposal) L = 200 m, Ωdet= 5 sterad, 0.4 < λ < 15 Å, Δλ = 0.4 Å @ 50 Hz Δd/d = 0.04% (backscattering), 0.15% (2θ = 90°), 1.7% (2θ = 10°) Strong pulse overlapping!

  26. Fermi chopper with 2 slit packages 21.79 m 22.5 m 23.5 m 29.9 m 6 Disc choppers 49.6 m 73.4 m Magnet (25 T) TOF high-resolutiondiffractometer at LPS orCNS type source Neutron pulse after fast chopper Δt0≈ (20 – 50) μs EXED instrument at BER II Δd/d≈ 0.001 for back scattering

  27. Перспективы ? Безусловные – на источниках нейтронов с длинным импульсом Не исключаются– на мощных стационарных источниках нейтронов

  28. HRFD – Фурье-дифрактометр высокого разрешения

  29. Al2O3 diffraction pattern measured with HRFD in 2000

  30. TOF component of peak shape Idealized formula: R(τ)≈ g(ω)cos(ωτ)dω - symmetric Gaussian Correct formula: For triangle transmission function: For square-form pick-up signal: δ is phase mismatch between transmission function and pick-up signal. The angle position of the pick-up transducer must be stable within 2´´ limit. V.A.Kudryashev, ICANS-XIX 31

  31. TOF component of peak shape Peak shape distortion owing to phase mismatch. The phase error parameter δ is equal to: 0, 0.25, and -0.25. Peak shape distortion owing to low frequency deviation of g(ω) and phase mismatch. The phase error parameter δ is equal to: 0, 0.135, and -0.135. Gaussian window (u=ω/ωm): g(u) ~ exp(-u2) V.A.Kudryashev, ICANS-XIX

More Related