ThALES viděl první neutrony

21. října 2014
V polovině října začal zkušební provoz zařízení ThALES určeného pro studium nízkoenergetických excitací v pevných látkách pomocí nepružného rozptylu neutronů v Institutu Laue-Langevin v Grenoblu.

V polovině října začal zkušební provoz zařízení ThALES určeného pro studium nízkoenergetických excitací v pevných látkách pomocí nepružného rozptylu neutronů v Institutu Laue-Langevin v Grenoblu.

Ne, nejedná se o starořeckého filosofa, geometra a astronoma Thalese z Milétu, po němž je nazvána Thaletova věta o pravoúhlých trojúhelnících nad průměrem kružnice. Nikoli.

Náš ThALES je Three Axis Low Energy Spectrometer, určený pro studium nízkoenergetických excitací v pevných látkách pomocí nepružného rozptylu neutronů v Institutu Laue-Langevin (ILL) v Grenoblu. Neutron, jako elektricky neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu je ideální sondou pro mikroskopické studium materiálů. Nepřítomnost elektrického náboje umožňuje neutronům velkou penetrační hloubku, řádově centimetry. Současně má neutron magnetický moment a se spinem ½ patří mezi fermiony.

Díky korpuskulárně-vlnovému dualismu částic se neutron chová současně jako částice i jako vlna. A právě vlnových vlastností neutronu využíváme ve fyzikálním výzkumu. Jednak vlnová délka neutronu je srovnatelná s mřížovými parametry krystalové mříže a může tedy docházet k interferenčním jevům na krystalové mříži, k ohybu a k difrakci, jednak energie neutronu je srovnatelná s energiemi kolektivních kmitů krystalové mříže a neutron interakcí získává nebo ztrácí část své energie, a tím mění svou vlnovou délku. A tyto informace je schopen měřit neutronový spektrometr.

Princip je jednoduchý. Nejprve v monochromátoru, pomocí difrakce na ideálním krystalu, vybereme z polychromatického („bílého“) toku neutronů pouze ty o námi zvolené vlnové délce a takto vzniklý monochromatický svazek necháme dopadat na vzorek. Uvnitř vzorku dojde k rozptylu neutronů, ať už pružnému, jako je difrakce neutronů na krystalové popř. magnetické struktuře látky, tak i nepružnému, způsobenému interakcí neutronů s kvazičásticemi krystalu, jako jsou fonony, magnony apod. Do rozptýleného toku neutronů pak zařadíme tzv. analyzátor, tvořený dalším ideálním krystalem, kde pomocí difrakce opět vybíráme vhodnou vlnovou délku rozptýlených neutronů, a tyto pak detekujeme.

Realizace je již více problematická. Díky vysoké pronikavosti neutronu je třeba všechna zařízení účinně stínit. To představuje kombinaci olověného a polymerního stínění o vysoké hmotnosti, takže konstrukce musí mít vysokou nosnost a přitom (pomocí stlačeného vzduchu) se musí pohybovat s vysokou přesností nastavení.

Spektrometr ThALES je unikátní zařízení svého druhu, jediné na světě. ThALES významně přispěje v oblasti studia (nano)magnetických a spinových systémů, kde hraje zásadní roli možnost použití vysokých magnetických polí ve velkém rozsahu energií a vysoká intenzita polarizovaných neutronů.

Základní design přístroje je výhradním dílem pracovníků ILL (viz obr. 1 v galerii vpravo). I v rámci designu v ILL probíhaly počítačové simulace a optimalizace jednotlivých součástí, na kterých se významně podílel doktorand MFF UK Mgr. Petr Čermák, který nedávno úspěšně obhájil svou disertační práci a nyní působí u příbuzného spektrometru PANDA ve FRM II v Mnichově.

Stavba spektrometru probíhala v úzké spolupráci s partnery z ILL podle Smlouvy o spolupráci při výstavbě tříosého nízkoenergetického spektrometru (ThALES). V souladu se Smlouvou byla ustanovena pracovní skupina:

  • Vědecký vedoucí z UK v Praze (prof. RNDr. Vladimír Sechovský, DrSc.)
  • Vědecký vedoucí z ILL (Dr. Martin Boehm)
  • Technický vedoucí z UK v Praze (doc. RNDr. Pavel Svoboda, CSc.)
  • Technický vedoucí z ILL (Ing. Spephane Roux)

Výstavba spektrometru představovala vrchol technických a technologických možností zúčastněných firem, kdy vysoká nosnost konstrukce (několik tun) je kombinována s vysokou přesností nastavení, kdy tolerance nastavených úhlů představují setiny stupně. To se týká zejména dvou kritických komponent spektrometru – stolku vzorku (CVVI Brno) a stínění monochromátoru (AVS Španělsko) (viz obr. 2 v galerii vpravo).

V závěru minulého týdne (16. 10. 2014) byl spektrometr uveden do zkušebního provozu a začaly testy jednotlivých typů provozu. V současné době je na studijním pobytu v ILL Grenoble i náš postgraduální student RNDr. Milan Klicpera, který se zúčastní celého testovacího provozu a současně je členem skupiny, která bude spektrometr intenzivně využívat.

doc. Pavel Svoboda