NEUTRONNYALÁB KUTATÁSOK A BUDAPESTI KUTATÓREAKTORNÁL. Rosta László MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet

Átírás

1 NEUTRONNYALÁB KUTATÁSOK A BUDAPESTI KUTATÓREAKTORNÁL Rosta László MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet október 30. ATOMKI Debrecen ESS konferencia

2 Neutronok szóródása kondenzált közegben anyagi tulajdonságok felderítése Diffrakció: atomi, molekuláris, nano-mérettatományú szerkezet Rugalmatlan szórás: mikroszkópikus mozgások, kölcsönhatások A neutronok unikális tulajdonságai az anyagvizsgálatban: Alkalmas hullámhossz/sebesség, nagy behatoló képesség, a szórás izotópérzékenysége, koherens/inkoherens szórás, spin/mágneses szóródás. Probléma: fényszegénység! Kezdetek: nagyobb reaktorok megjelenése az ötvenes években Úttörık: C. Shull, B. Brockhouse, Nobel-díj,1994 Fontosabb mérföldkövek: neutronvezetık alakalmazása, a neutron spin echo felfedezése (Mezei F.), helyzetérzékeny detektorok bevezetése, reflektometria elterjedése, felhasználói rendszer kialakítása (ILL), spallációs források A neutron kutatások újbóli felfutása a kilencvenes években Széleskörő felhasználói rendszer Európában, interdiszciplinaritás A neutron felhasználók száma Európában (ENSA): 3500 (1995), 5000 (2005) Magyarországon kb. 50 intézmény, kutató

3 A hazai neutronkutatás fı bázisa a csillebérci reaktor, mely 1959-ben indult Major milestones: Start: 1959, 2.5 MW Upgrad: 1967, 5 MW Full scale refurbishment: Recommissioning: 1992, 10 MW Cold neutron source: Second operating cycle:

4

5 Tang. channel Reactor core Cold plug T ~ 20 K λ maximum flux = 4Å Radial channels T ~ 320 K λ max flux = 1.2Å

6 Hidegneutron forrás projekt szupertükör neutronvezetık : Közel 3 millió US$ beruházás OTKA/Mőszer NAÜ EU Copernicus MTA (AEKI, IKI, SZFKI) A neutron intenzitás közel két nagyságrendi növekedése a berendezéseken

7 A BKR vízszintes neutron-nyaláb berendezései PSD TAS CNS Measuring Hall Shielding tunnel (for 3 neutron guides) MTEST REFL IBMS NG-3 SANS PGA NIPS NG-2 BIO NG-1 TASC Shutters (3 pcs.) SNR Reactor Hall Entrance to the reactor hall DNR TOF Time of flight spectrometer (under construction) TOF (neutron guide) REFL Reflectometer DNR Dynamic neutron radiography SNR Static neutron radiography BIO Port used for biological experiments MTEST Material testing diffractometer TAS Triple axis spectrometer PSD Powder diffractometer Cold neutron instruments: TASC - TAS Triple axis spectrometer on CNS TOF (measuring hall) SANS Small-angle scattering spectrometer PGAA Prompt gamma activation analysis NIPS Neutron-induced prompt gamma-ray spectrometer IBMS In-beam Mössbauer spectrometer (under construction)

8 PSD Neutrondiffraktométer ter S(Q) 1.0 (a) CCl (d) TiCl (b) SiCl 4 2 (e) VCl S(Q) Helyzetérzékeny lineáris detektorok S(Q) (c) GeCl (f) SnCl Q/Å Q/Å -1 Molekuláris folyadékok neutrondiffrakciós mérése

9 MTEST diffraktométer Belsı feszültség Textúra Egykristály diffrakció

10 Neutron reflektométer The schematic view of the reflectometer layout. 1 neutron guide, 2 monochromator, 3 Be filter, 4 Cd-slits, 5 polarizing super-mirror, 6 guide field magnets, 7 - π -flipper, 8 sample, 9 sample-holder goniometer, 10 detector,

11 Multiréteg szerkezetek vizsgálata: Hordozó anyag felületi érdesség vizsgálata Rétegen belüli kristályosodás Reflectivity (%) m ~ 1000 Å R ~ 85 % R ~ 65%

12 Neutron Radiográfia Alkalmazott kutatási feladatok statikus és dinamikus neutron és gamma radiográfiával Tipikus ipari alkalmazások: Hőtıgépek Motorok Nyomástartó edények

13 Zr-1% 1%Nb hidrid főtıelemtok burkoló anyag neutrondiffrakciós s szerkezetvizsgálata Főtıelemköteg Zr-1at% 1at%Nb E. Sváb, Mészáros, Somogyvári, Balaskó, Kırösi. Radiation and Isotopes, 61 (2004)

14 Neutronkutatási módszerek közvetlen ipari alkalmazásai 2000, Haditechnikai Intézet: Neutron-, gamma- és röntgenradiográfia Balaskó, Veres, Molnár, Sváb. Physica B, 350, 107 (2004)

15 Neutronkutatási módszerek közvetlen ipari alkalmazásai , Haditechnikai Intézet: Neutron-, gamma- és röntgenradiográfia Balaskó, Veres, Molnár, Sváb. Physica B, 350, 107 (2004)

16 Neutronkutatási módszerek közvetlen ipari alkalmazásai 1995, Haditechnikai Intézet: Neutron-, gamma- és röntgenradiográfia Vízbeszivárgás Balaskó, Veres, Molnár, Sváb. Physica B, 350, 107 (2004)

17 STUDY OF MATERIALS NANOSTRUCTURE BY SMALL ANGLE NEUTRON SCATTERING Yellow Submarine at BNC ( Reactor/ hidegforrás Neutron guide Secondary shutter Collimator Sample Yellow Submarine Velocity slector Monit Sample changer Beam shutter Entrance slit Exit slit 2D detector

18 Neutronkutatási módszerek közvetlen ipari alkalmazásai 2003, Olasz gyártó (Firenze): Erımővi gázturbina járókerék élettartam vizsgálata (diffrakció, kisszögő szórás) 200 σ radial σ hoop Gas turbine wheel in the sample position. residual stresses σ (MPa) investigated points

19 Ferrari motor élettartam növelı vizsgálata Budapesten Kisszögő neutronszórással a dugattyú különbözı pontjain a nanoszerkezeti elváltozásokból (ötvözı elemek kiválása) a mikrorepedések kiidulási gócaira kaptunk információt. M. Rogante, V.T. Lebedev, F. Nicolae, E. Rétfalvi, L.Rosta, Physica. B 358, 224 (2005)

20 POPC SANS study highlights Model membranes Nanoscale features of starch dl=c+2h % 100 unilamellar multilamellar R (nm) The water-starch (potato, wheat and corn) binary mixtures were studied at different concentrations and temperatures to elucidate the heterogeneous and homogeneous "starch-paste" formation and the gelatinization of starch in water and to characterize the physical and chemical properties and structure of starch solutions. ρs dw D2O h c D2O D2O D2O log Intensity ρc -CH2 d r0 r0+d r0+2d n m n m n m 5 0 n m 0,0 0,1 0,2 0,3 q ( Å - 1 ) -CH2 Membrane profile Number of unilamellar and multilamellar vesicles depend on the number of extrusions, and on 60 the pore size of the filter. H. Schmiedel et al., Eur Biophys J 2006 dσ/dω (cm -1 ) 10 m9 - maize gel in D 2 O 40% (weight) m12 - maize suspension in D 2 O 40% (weight) 25 C q (Å -1 ) dσ/dω (cm -1 ) potato starch solution in D 2 O at 25 C m % m % m % m % q (Å -1 )

21 Time-of-flight diffractometer An alternative for beam monochomatization (proposed by Buras ~1960) Prototype for high and variable resolution diffractometer (HMI - Budapest collaboration) 300 FWHM 2.5x Al sintered counts ,210 1,215 1,220 1,225 1,230 1,235 1,240 1,245 1,250 d-spacing [A] 10 µs pulse width at any wavelength: best resolution on a reactor or for an 18 m instrument. Good intensity/resolution ratio

22 Magnetic bearing spindle: maintenance free for years Variable pulse length possible: µs FEA disk analysis Aluminium or composite disks possible asymmetric openings

23 Investigtion of bronz objects from the National Museum (Budapest) Bronz csatok c c c c Time channel (s) 8x Time channel (s) 8.0x10-3

24 Példák a jelentısebb metodikai fejlesztési eredmények közül 1972: A neutron spin echo módszer felfedezése, Mezei Ferenc Az energiacsere tartomány több nagyságrenddel való kiterjesztése Az elsı berendezés építése: ILL-Grenoble, Minıségileg új eredmények: He-roton élettartam, spin-relaxáció fémekben, polimer láncok mozgási modellje stb. A módszer elterjedése, újfajta változatok megjelenése NSE spektrométer A KFKI reaktornál Metodikai fejlesztések (pl. FP6 projekt része) Oktatás

25 Neutron spin echo spektrométer: KFKI-LLB közös konstrukció Reacteur Orphée, Saclay/Paris,

26 Mechanikus neutron sebesség szelektorok fejlesztése és gyártása Soktárcsás szelektor elsı fejlesztés 1983 Gyártás: KFKI - MSZI : Új fejlesztés A termékké fejlesztett eszköz (középen és jobbra lent) értékesítése Franciaországban, USA-ban, Japánban stb. OMFB projekt SZFKI - RegTron, MTA intézet és kisvállalkozás együttmőködése

27 Neutron holography image of Pd atoms in a PdH single crystal

28 Neutron holography image of lead atoms in a Pb-Cd single crystal Three dimensional holographic image of lead atoms around a cadmium atom in a Pb:Cd crystal. This is the first experimental demonstration of the atomic resolution neutron holography principle (inside source) invented by L. Cser. The experiment was performed in Hungarian-Austrian-Russian collaboration at the Grenoble ILL high flux reactor. (L. Cser, Gy.Török, G.Krexner, I.Sharkov, B. Faragó; PRL (2002) Vol.89 No.17)

29 European co-operation, regional situation of BNC

30 A hazai neutronkutatás perspektívái és európai vonatkozásai Két stratégiai dokumentum: ENSA: Európai Neutron Utiterv (2005) EU ESFRI: Az európai neutronkutatások jövıje (2006) Fı megállapítások: A neutron kutatások jelentıs fellendülésben vannak A neutron forrás centrumok háromas tagozódása ESS ILL és ISIS BNC, FRM-II, HMI, LLB, PSI, IBR2 ESS az európai kutatás zászlóshajója ILL és ISIS a világ legjobb neutronforrásai (jelenleg +5-8 év) Nemzeti, regionális hálózat; ezen belül a BNC üzemeltetése 2014-ig (Jelentıs modernizáció között: főtıelemtípus cseréje, teljesítmény növelés, új hidegneutron forrás, berendezések felújítása)