A neutron kölcsönhatásai: rugalmas és rugalmatlan szóródás Neutron diffrakció

A neutron kölcsönhatásai: rugalmas és rugalmatlan szóródás

Neutron diffrakció

Fábián Margit

fabian.margit@energia.mta.hu

Tulajdonságok - az anyagok jellegét, minőségét meghatározó, megkülönböztető vonás - kémiai

- fizikai - termikus - technológiai - mechanikai

Miért fontos ismerni az anyag szerkezetét?

felhasználás jellemzés

optimalizálás

acél+aluminium aluminiumötvözet szén

- rendezett

Az elemi cella alapján a kristályok 7

kristályrendszerbe sorolhatók.

- szilárd anyagok – kristályos vagy amorf

-

rendezetlen

Anyagvizsgálati módszerek

Mikroszkópia: fénymikroszkópia, elektronmikroszkópia, pásztázószondás mikroszkópiák

Diffrakciós módszerek: XRD, Neutron diffrakció, Röntgen-fotoelektron diffrakció.

Elektron- és röntgenemissziós spektroszkópiák, XPS, UPS, Auger, Röntgen-fluoreszcencia

Vibrációs spektroszkópiák, FTIR, Raman Mágneses magrezonancia, NMR

Ionszórásos módszerek, RBS

Tömeg- és optikai spektroszkópiai módszerek

A diffrakció jelensége: egy hullám (hang, anyag, elektromágneses) elhajlása, terjedési irányának megváltozása az útjába eső akadályon bekövetkező interferencia miatt. Ez a hullám lehet hang-, anyag- és elektromágneses hullám.

- ha egy monokromatizált

hullámhosszúságú részecske – jelen esetben a neutron – nyalábot egy

ismeretlen belső szerkezettel rendelkező mintára bocsátunk, akkor annak

függvényében hogy milyen orientációjú krisztallitok fordulnak elő a mintában, lesznek olyan 2Ɵ szöggel jellemzett irányok, amelyeknél hullámerősítést tapasztalunk (Bragg-csúcsok)

- a Bragg képlet segítségével kiszámítható a rácsszerkezet állandója ha ismerjük a mintára szórt neutronnyaláb

hullámhosszát.

nλ=2d_hklsinƟ_hkl (n egész szám, d_hkl a rácsállandó, Ɵ_hkl a beeső és a szóródott nyaláb közötti szög)

a röntgenszórási hossz Q függő – monoton növekedést mutat az atomszámmal, a röntgenfotonok az elektronokon szóródnak

a neutronszórási amplitudó elemről elemre változik – szabálytalan változást mutat az atomszámmal, a neutronok a minta atomjain szóródnak

a neutronszórási amplitudó elemről elemre változik

Előny: egymáshoz közel levő könnyű elemeket is meg lehet különböztetni, pl. KCl csakúgy mint az elem különböző izotópjait

pl. b_H = -3.7 & b_D = 6.8

Neutronnal hol-mit-mivel?

Neutronnal hol-mit-mivel?

Honnan van neutron?

Maghasadás Fissziós reaktor

Spallációs neutron forrás

Budapesti 10MW Kutatóreaktor

Oak Ridge-i spallációs neutron forrás

PSD

=1.07 Å

Q=0.45-10 Å

=0.17-4.2 Å

Q=0.9-40 Å

NPDF

Neutrondiffrakciós berendezések pl.

Neutrondiffrakciós berendezések pl.

HIPPO

=0.15-4 Å Q=0.7-35 Å

budapesti 10MW-os budapesti 10MW-os

kutatóreaktornál kutatóreaktornál

Los Alamos-i

Los Alamos-i impulzus-impulzus- neutronforrás

neutronforrás

=0.726 Å Q=0.52-18 Å

7C2

Saclay-i kutatóreaktor

Cu(111) monokromátor

 = 1.069 Å

2= 8-115°; Q=0.45-10 Å^-1

PSD PSD neutron diffraktométer jellemzői neutron diffraktométer jellemzői

Q=4sinΘ/

3 db. He-3 lineáris helyzetérzékeny detektor (60cm)

Minta: 2-4g szükséges Mérési idő:

12-24h

Mintatartó:

vanádium, Ø:5&8mm

… … és a neutrondiffrakciós mérés után? és a neutrondiffrakciós mérés után?

Teljes Szerkezeti Függvény, S(Q )

Meghatározható:

koherens szórási

intenzítás szórási hossz

Figyelembe véve: mintatartó, háttér, abszorpció

Normálva a fluxusra, detektor beütésszáma/monitorszámláló

Teljes radiális eloszlásfüggvény, G(r)

S(Q)

sin Fourier transzformáció

G(r)

(gives the interatomic distance distribution, or

“probability” of finding atomic pairs distance r apart)

Adatfeldolgozás: Fordított Monte Carlo (RMC) szimuláció

• az RMC szimulációval modellezhetjük az atomok elhelyezkedését

• részecskék 3D konfigurációjának felépítése

• az illesztés megkötései: az atomi sűrűség, két atom közötti legkisebb az atomi sűrűség, két atom közötti legkisebb távolság

távolság (cut-off), koordinációs kényszer (cut-off), koordinációs kényszer

g_ij(r) parciális atomi párkorrelációs függv.

S_ij(Q) parciális szerkezeti függv.

S(Q) szerkezeti függv.

 











0

sin 1

) 4 (

1 )

( r g r Qr dr

Q Q

S



S ( Q )

S

( Q )

ij w_ij





2 1

, 



 



 





j i n j i

j i j i

b c

b b c c

w

2

2

( ( ) ( ))





i

Q S

Q

S 

 

new- χ²_old)/2)

Amorf összetételek optimalizálása radioaktív hulladékok kondicionálására

A többkomponensű nátrium-

boroszilikát üvegek alkalmasak a nagy aktivitású hulladékok

befogadására

Magas urán koncentrációjú boroszilikát üvegek előállítása és szerkezetvizsgálata.

Rövidtávú rend meghatározása: távolságok, koordinációs számok. Beépülésre válaszok…

CÉL

SiO

és B

O

+ Na

O

SiO₂-B₂O₃-Na₂O-BaO-ZrO₂ üvegalkotó

oxid

módosító oxid

stabilizáló oxid

SiO

-Na

O

B

O

-Na

O

SiO

-B

O

-Na

O

+30s%UO₃

70s%[SiO

-B

O

-Na

O-BaO-ZrO

]+30s%UO

Vizsgált mintáink előnyei:

 termikus-kémiai stabilitás

 savas-bázikus közegben nem oldódnak

 jól tűrik a sugárzást és abszorbeálják

 gazdaságos előállítás

Max. befogadóképesség: 40%UO₃ mátrix

RMC modellezéssel illesztett szerkezeti függvény a RMC modellezéssel illesztett szerkezeti függvény a

SiO SiO

(65-x)-B (65-x)-B

O O

(x)-Na (x)-Na

O(25%)-BaO(5%)-ZrO O(25%)-BaO(5%)-ZrO

(5%) x= (5%) x= 5-10 5- 10 -15 - 15 mol% mol%

mátrix üvegre mátrix üvegre

Alkalmazott kényszerek:

- sűrűség

- cut-off távolságok -koordinációs

kényszer: Si

0 5 10 15 20 25 30 -1

0

1

B10

S (Q )- 1

Q(Å

)

PSD NPDF

Öt-komponensű összetételek

Si-O &

Si-O & B-O parciális p B-O parciális p árkorrelációs árkorrelációs függvénye függvénye k a B5-B10-B15 mintákra, RMC k szimulációval számolva

1 2 3 4 5 6

0 10 20 30

B15 B10 B5 1.60Å

Si-O g Si-O(r)

r(Å)

2 3 4

0 300 600 900

KSz Si-O

KSz=3.9 KSz=3.7 KSz=3.9

Atomok száma

1 2 3 4 5 6

0 10 20

30 1.60Å B-O

1.40

g B-O(r)

r(Å)

2 3 4

0 100 200 300

400 KSz=3.5 KSz=3.1 KSz=3.15

B-O

Atomok száma

KSz

Öt-komponensű összetételek

[3]

B és

B koordinációjú B atomok; vegyes trigonális és tetraéderes

[3]

B-O-Si és

B-O-Si környezetek alakulnak ki az alapszerkezetben

Si B O

Öt-komponensű összetételek

UB10 UB10

Súlyfaktor

Súlyfaktor , w , w

(%) (%)

Si-O Si-O B-O B-O O-O O-O Na-O Na-O Zr-O Zr-O U-O U-Na U-Si

ND ND 14.03 14.03 9.33 9.33 40.78 40.78 10.81 10.81 4.13 6.20 0.82 1.06 XD XD

Q=1Q=1..02Å02Å^-1-1

7.50 0.46 7.80 4.69 5.59 17.66 17.66 4.48 4.48 8.57 8.57 70s%[SiO

(65-x)-B

O

(x)-Na

O(25%)-BaO(5%)-ZrO

(5%)]+30s%UO

x=5-10-15-20%

2

, 



 



 



j i

j i

j i j ND i

ij

b c

b b c w c

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták

) ( )

( Q S Q

S

ij w_ij





2

,

) (

) ( ) ) (

(



 



 



j i

i i

j i

j i XRD

ij

Q f c

Q f Q f c Q c

w

Q-függő f(Q) atomi szórási amplitúdó, XRD esetén

Neutron N eutron- - és röntgendiffrakciós mérések a és röntgendiffrakciós mérések a B10 B10 és és UB10 UB10 mintákra mintákra

0 5 10 15 20 25 30

0 2 4

6

XD

Q*[S(Q)-1]

ND

Q[Å

]

0 1 2 3 4 5 6

0 4 8

XD ND

B-OSi-O O-O U-O

G (r )

r[Å]

Teljes radiális eloszlásfüggvény Interferenciafüggvény

FT







max

sin ) ( ] 1 ) ( 2 [

) (

Q

o

dQ Qr Q

M Q

S Q r

G



x Q x

M sin

)

(   

20 20

max 

  Q x  Q

ha Q  20 Å^-1

M(Q) = 1, ha Q < 20 Å^-1

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták

Szerkezeti függvények illesztése az RMC szimulációs programmal, a Szerkezeti függvények illesztése az RMC szimulációs programmal, a SiB( SiB( 5-10 5 -10-15 -15-20 -20 )NaBaZrU )NaBaZr UO O sorozatra sorozatra

0 2 4 6 8 10

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

1,5 UB20

UB15 UB10

S (Q )- 1

Q[Å^-1]

0 5 10 15 20 25

-2 -1 0 1 2

3 UB20

UB15 UB10 UB5

S (Q )- 1

Q[Å^-1]

BW5 - XD PSD - ND

Kényszerek:

- sűrűség

- cut-off távolságok

- koordinációs kényszerek: Si, B

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták

Parciális párkorrelációs függvények és a koordinációs számeloszlás:

Parciális párkorrelációs függvények és a koordinációs számeloszlás:

UB5-UB10 UB5- UB10- -UB15 UB15- -UB20 UB20

1 2 3 4 5

0 5 10 15 20

Si-O 1.60 Å

g Si-O(r)

r[Å] ^{0 1 2 3 4 5}

0 5 10

15 B-O

~3.80Å

1.35Å 1.55 Å

g B-O(r)

r[Å]

2 3 4

0 200 400 600 800

UB20 UB15 UB10

KSz=3.95 UB5 KSz=3.90 KSz=3.64 KSz=3.77

Si-O

Atomok száma

KSz ^{2 3 4}

0 200 400

600 KSz=3.47 KSz=3.45 KSz=3.1 KSz=3.21

B-O

Atomok száma

KSz

Si B O

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták

UB5-UB10-UB15-UB20 sorozatra az U-O parciális párkorrelációs függvény

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0

7 14 21

28 U-O

~4.2 Å 2.2 Å

1.8 Å

g U-O(r)

r[Å]

U-O

: 1.8 U-O

: 3.6 átlagU-O: 5.4

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták

Másodszomszéd távolságok az UB5-10-15-20 üvegsorozatra

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták

Összefoglalás

A bemutatott munka eredményeként, diffrakciós mérésekből sikerül rávilágítani arra, hogy az újonnan előállított:

mátrixüveg tetraéderes SiO₄ és vegyes trigonális és tetraéderes BO₃ és BO₄ egységekből épül fel

 az U atom beépül az üvegszerkezetbe és stabilizálja azt

30s% UO₃ képes stabilan beépülni a mátrix-összetételbe

éles másodszomszéd távolságokat kapunk az U atom és az üvegalkotó (Si, B), módosító (Na) és stabilizáló (Zr) atomok között, ennek alapján mondhatjuk, hogy részt vesz az alapszerkezet kialakításában

az urán beépülés nem változtatják meg a mátrix-összetétel alapszerkezetét

Diffrakciós módszerek lehetővé teszik az anyagok szerkezeti megismerését. A neutron diffrakció egyedi módszer bizonyos – könnyű elemek környezetének a felderítésére, különböző izotópok esetén – anyagok vizsgálata esetén, ugyanakkor kiegészítve röntgen-diffrakcióval jelentős szerkezetvizsgálati eszközt tarthatunk a kezünkbe.

Köszönöm a figyelmet!