Нейтронное спиновое эхо

редактировать

Метод нейтронного рассеяния

Нейтронное спиновое эхо спектроскопия - это изобретенный метод неупругого рассеяния нейтронов by в 1970-х годах и разработан в сотрудничестве с Джоном Хейтером. В знак признания его работы и в других областях, Мезей был награжден первым в 1999 году.

Анимация спинового эха нейтронов, показывающая реакцию пучка нейтронов (красные стрелки) в их синей сфере Блоха, когда они путешествие через серию магнитов

В магнитном резонансе, спиновое эхо - это перефокусировка спина намагниченности импульсом резонансного электромагнитного излучения. Спектрометр спинового эха обладает чрезвычайно высоким разрешением по энергии (примерно одна часть из 100000). Кроме того, он измеряет корреляцию плотности и плотности (или промежуточную функцию рассеяния ) F (Q, t) как функцию переданного импульса Q и времени. Другие методы рассеяния нейтронов измеряют динамический структурный фактор S (Q, ω), который может быть преобразован в F (Q, t) с помощью преобразования Фурье, что может оказаться трудным на практике. Для слабых неупругих элементов S (Q, ω) лучше подходит, однако для (медленных) релаксаций естественное представление дается F (Q, t). Благодаря исключительно высокому эффективному разрешению по энергии по сравнению с другими методами рассеяния нейтронов, NSE является идеальным методом для наблюдения перезатухающих внутренних динамических режимов (релаксации) и других диффузионных процессов в материалах, таких как полимерные смеси, алкановые цепи или микроэмульсии. Необычайная мощность спектрометрии NSE была недавно продемонстрирована прямым наблюдением за динамикой связанных внутренних белков в белках NHERF1 и полимеразах Taq, позволяя прямую визуализацию белка наномашин в движении. Существует несколько элементарных обзоров этого метода.

Содержание

1 Как он работает
2 Что он может измерять
3 NSE и спин-некогерентное рассеяние (от протонов)
4 Существующие спектрометры
5 См. Также
6 Ссылки

Как это работает

Нейтронное спиновое эхо - это метод времени пролета. Что касается спинов нейтронов, оно имеет сильную аналогию с так называемым эхо Хана, хорошо известным в области ЯМР. В обоих случаях потеря поляризации (намагничивания) из-за расфазировки спинов во времени восстанавливается эффективной операцией обращения времени, что приводит к восстановлению поляризации (перефазировке). В ЯМР дефазировка происходит из-за изменения локальных полей в положениях ядер, в NSE дефазировка происходит из-за разных скоростей нейтронов в падающем нейтронном пучке. Ларморовская прецессия спина нейтрона в зоне подготовки с магнитным полем до того, как образец кодирует отдельные скорости нейтронов в пучке в углы прецессии. Вблизи образца обращение времени осуществляется так называемым флиппером. Далее следует симметричная зона декодирования, так что в ее конце угол прецессии, накопленный в зоне подготовки, точно компенсируется (при условии, что образец не изменяет скорость нейтронов, то есть упругое рассеяние), все спины меняют фазу с образованием «спинового эха». В идеале восстанавливается полная поляризация. Этот эффект не зависит от скорости / энергии / длины волны падающего нейтрона. Если рассеяние на образце не является упругим, но изменяет скорость нейтронов, перефазировка станет неполной и потеря окончательных результатов поляризации, которая зависит от распределения разностей во времени, которое нейтронам необходимо, чтобы пролететь через симметричный первым ( кодирование) и второй (декодирующей) зоны прецессии. Разница во времени возникает из-за изменения скорости, вызванного неупругим рассеянием на образце. Распределение этих временных разностей пропорционально (в приближении линеаризации, которое подходит для квазиупругой спектроскопии высокого разрешения) спектральной части S (Q, ω). Влияние на измеренную поляризацию луча пропорционально преобразованию кос-Фурье спектральной функции, промежуточной функции рассеяния F (Q, t). Параметр времени зависит от длины волны нейтрона и фактора, связывающего угол прецессии с (обратной) скоростью, что может, например, управляться установкой определенного магнитного поля в зонах подготовки и декодирования. Затем сканирование t может выполняться путем изменения магнитного поля.

Важно отметить: все манипуляции со спином - это просто средства для обнаружения изменений скорости нейтрона, которые влияют - по техническим причинам - на преобразование Фурье спектральной функции в измеренной интенсивности.. Изменения скорости нейтронов передают физическую информацию, доступную при использовании NSE, т.е.

$I (Q, t) ∝ S (Q) + ∫ cos ⁡ (ω t) S (Q, ω) dt {\ displaystyle I (Q, t) \ propto S (Q) + \ int \ cos (\ omega t) \, S (Q, \ omega) \, dt}$ $I (Q, t) \ propto S (Q) + \ int \ cos (\ omega t) \, S (Q, \ omega) \, dt$ где $ω ∝ Δ v { \ displaystyle \ omega \ propto \ Delta v}$ $\ omega \ propto \ Delta v$ и $t ∝ B × λ 3 {\ displaystyle t \ propto B \ times \ lambda ^ {3}}$ $t \ propto B \ times \ lambda ^ 3$ .

B обозначает поле прецессии сила, λ (средняя) длина волны нейтрона и Δv изменение скорости нейтрона при рассеянии на образце.

Основная причина использования NSE заключается в том, что вышеупомянутые средства могут достигать времен Фурье до многих 100 нс, что соответствует разрешению по энергии в диапазоне нэВ. Самый близкий подход к этому разрешению для спектроскопических нейтронных приборов, а именно для спектрометра обратного рассеяния (BSS), находится в диапазоне от 0,5 до 1 мкэВ. Уловка спинового эха позволяет использовать интенсивный пучок нейтронов с распределением длин волн 10% или более и в то же время быть чувствительным к изменениям скорости в диапазоне менее 10.

Примечание. Приведенные выше пояснения предполагают общую конфигурацию NSE, которая впервые была использована прибором IN11 в Institut Laue – Langevin (ILL) -. Возможны и другие подходы, такие как NRSE с концентрированным постоянным полем и радиочастотным полем в ластах в конце зон подготовки и декодирования, которые затем остаются без магнитного поля (нулевое поле). В принципе, эти подходы эквивалентны в отношении связи конечного сигнала интенсивности с промежуточной функцией рассеяния. Из-за технических трудностей до сих пор они не достигли того же уровня производительности, что и стандартные типы NSE (IN11).

Что можно измерить

В исследованиях мягкой материи Структура макромолекулярных объектов часто исследуется с помощью малоуглового рассеяния нейтронов, МУРН. Обмен водорода на дейтерий в некоторых молекулах создает контраст по рассеянию даже между равными химическими соединениями. Картина дифракции МУРН - если интерпретировать в реальном пространстве - соответствует снимку изображения молекулярного устройства. Приборы нейтронного спинового эха могут анализировать неупругое уширение интенсивности МУРН и тем самым анализировать движение макромолекулярных объектов. Грубая аналогия - это фотография с определенным временем открытия вместо снимка, подобного снимку SANS (чтобы мы могли анализировать частоту колебаний молекул, а также их расположение). Время открытия соответствует времени открытия, которое зависит от настройки спектрометра NSE, оно пропорционально магнитному полю (интегралу) и третьей степени длины волны нейтронов. Доступны значения до нескольких сотен наносекунд. Обратите внимание, что пространственное разрешение эксперимента по рассеянию находится в нанометровом диапазоне, что означает, что временной диапазон, например, 100 нс соответствуют эффективной скорости движения молекул 1 нм / 100 нс = 1 см / с. Это можно сравнить с типичной скоростью нейтронов 200..1000 м / с, используемой в экспериментах такого типа.

NSE и спин-некогерентное рассеяние (на протонах)

Многие неупругие исследования, в которых используются обычные времяпролетные (TOF) спектрометры или спектрометры обратного рассеяния, полагаются на огромные некогерентные сечение нейтронного рассеяния протонов. В сигнале рассеяния преобладает соответствующий вклад, который представляет собой (среднюю) функцию автокорреляции (по времени) протонов.

Для NSE спина некогерентное рассеяние имеет тот недостаток, что оно переворачивает спины нейтронов во время рассеяния с вероятностью 2/3. Таким образом, 2/3 интенсивности рассеяния преобразуются в «неполяризованный» фон и ставится коэффициент -1/3 перед интегральным вкладом кос-Фурье, относящимся к некогерентной интенсивности. Этот сигнал вычитается из когерентного эхо-сигнала. Результатом может быть сложная комбинация, которую невозможно разложить, если используется только NSE. Однако в чистых случаях, то есть когда имеется подавляющий вклад интенсивности из-за протонов, NSE можно использовать для измерения их некогерентного спектра.

Ситуация с интенсивностью NSE - например, образцы мягкой материи - то же самое, что и при малоугловом рассеянии нейтронов (SANS ). Молекулярные объекты с контрастом когерентного рассеяния при малой передаче импульса (Q ) демонстрируют когерентное рассеяние при значительно более высокой интенсивности, чем некогерентное фоновое рассеяние. Этот эффект ослабевает по мере увеличения Q. Для систем, содержащих водород, контраст требует присутствия некоторых протонов, поскольку даже чистые дейтерированные образцы демонстрируют слабое спин-некогерентное рассеяние на дейтронах.

Полностью протонированные образцы позволяют проводить успешные измерения, но при интенсивности порядка фонового уровня МУРН. Примечание. Эта интерференция со спином в методе NSE возникает только при спин-некогерентном рассеянии. Изотопическое некогерентное рассеяние дает "нормальный" сигнал NSE.

Существующие спектрометры

IN11 (ILL, Гренобль, Франция)

IN15 (ILL, Гренобль, Франция)

NL2a J-NSE (, Юлих, Германия, хостинг FRM II Munich, Мюнхен, Германия)

NL5-S RESEDA (FRM II Munich, Мюнхен, Германия)

V5 / SPAN (Hahn-Meitner Institut, Берлин, Германия)

C2-3-1 NSE ISSP, (JRR-3, Tokai, Япония).

BL-15 NSE (SNS, ORNL, Ок-Ридж, США)

NG5-NSE (CHRNS, NIST, Гейтерсбург, США),

См. Также

Ссылки