Введение к работе
Актуальность. Рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов на идеально периодической кристаллической решетке имеет особый, так называемый динамический характер, обусловленный формированием в кристалле специфической структуры волнового поля, состоящей из блоховских вола При интерференции этих волн возникает ряд дифракционных эффектов, не свойственных мозаичным кристаллам: маятниковые полосы, аномальное пропускание, полное отражение в окрестности брэгговского угла и др. //, 2, 31. Систематическое экспериментальное изучение динамических эффектов началось в 60-х годах. Характеризуя состояние этих исследований к середине 80-х годов, можно отметить следующее.
В рассеянии рентгеновских лучей и ядерном рассеянии нейтронов динамические эффекты были в целом подробно изучены, а на их основе созданы прецизионные методы исследования кристаллической структуры и ядерно-физических явлений /1-4/. В то же время для магнитного рассеяния нейтронов убедительные доказательства существования динамических эффектов по-прежнему отсутствовали. Поиск этих эффектов проводился как для проверки предсказаний ссютветствующей динамической теории, так и с целью разработки новых методов изучения магнитной структуры.
В связи с развитием исследований по высокотемпературной сверхпроводимости возник вопрос о совершенстве соответствующих кристаллов и о возможности наблюдения в них динамических эффектов. Эта возможность была далеко не очевидна, поскольку возникновение сверхпроводимости связано, как правило, с введением точечных дефектов в кислородную подрешетку и догшрующих примесей в металлическую. Поиск совершенных ВТСП кристаллов представлял интерес как для дифракционных исследований кристаллической лруктуры этих соединений, так и для более широкого круга экспериментов, где дефекты могут повлиять на измеряемые физические :войства.
Одним из направлений в нейтронной и рентгеновской фисталлооптике явилось изучение дифракционньк явлений, юзникающих при акустическом возбуждении образца. Такие кследования проводились, как правило, на кристаллах парамагнетиков, ікустическая нелинейность которых пренебрежимо мала и не
проявлялась в экспериментах. В тоже время в магнетиках, особенно в слабых ферромагнетиках, акустические колебания могут быть сильно нелинейными даже при относительно небольших амплитудах накачки, поскольку эти колебания взаимодействуют с нелинейными магнишыми І5І. Ожидалось, что это может привести к возникновению ряда дифракционных эффектов, имеющих резонансный характер и отражающих как особенности взаимодействия излучения с почти совершенными кристаллами, так и нелинейную природу самих магнитоакустических волн. Изучение этих эффектов представляло интерес не только для нейтронной и рентгеновской оптики, но и для физики нелинейных колебаний в кристаллах и магнитоакустики как таковой.
Было установлено, что с помощью дифракционных явлений, возникающих в совершенных кристаллах /6, 7, 5/, возможна "острая" фокусировка и высокочастотная модуляция рентгеновского и синхротронного излучений. В то же время методы фокусировки нейтронных пучков были основаны, как правило, на использовании изогнутых мозаичных кристаллов І9І и обеспечивали сравнительно большие размеры фокусного пятна.
Цель работы. В рамках данной работы, продолжая традиции, сложившиеся в РНЦ "Курчатовский Институт" в области нейтронной и рентгеновской оптики совершенных кристаллов, мы постарались решить три связанные между собой проблемы:
- наблюдение динамических эффектов для тех видов взаимодействия
излучения и вещества (магнитное рассеяние нейтронов) и тех классов
соединений (высокотелшературные сверхпроводники), где они не были
подтверждены экспериментально, и использование этих эффектов для
изучения структуры, фазовых переходов, дефектов, влияния внешних
воздействий и т.д.;
наблюдение нелинейных резонансных магнитоакустических явлений в совершенных кристаллах слабых ферромагнетиков нейтронными и рентгеновскими методами;
развитие методов фокусировки и модуляции нейтронного, рентгеновского и синхротронного излучений
Научная новизна. Экспериментально подтверждено существование динамических эффектов в магнитном рассеянии нейтронов: маятниковых осцилляции интенсивности рассеяния при изменении толщины, температуры и ориентации вектора намагниченности кристаллов. Изучено влияние кристаллических дефектов, магнитных
юменов, спин-переориентационных переходов, постоянных и [еременных магнитных полей на динамические эффекты.
На основе исследования ВТСП системы Шг-хСе^СиО^у установлено, гго в кристаллах высокотемпературных сверхпроводников и одственных систем могут наблюдаться динамические эффекты в ассеянии нейтронов и рентгеновских лучей: маятниковые полосы, номальное пропускание, стоячие рентгеновские волны, ештеноакустический резонанс. На основе изучения этих эффектов юлучена информация о структуре, кристаллических дефектах, гагнитных переходах, акустических характеристиках этих соединений.
В рассеянии нейтронов, рентгеновского и синхротронного излучений а возбужденных кристаллах слабых ферромагнетиков обнаружены іагнигоакустические и акустомагнигные резонансные эффекты, на снове которых разработаны дифракционные методы измерения арактеристик магнитоакустических колебаний. Дифракционными [етодами изучен широкий круг нелинейных и параметрических іагнитоакустических явлений, что позволило развить новое научное аправление-дифракционную нелшіейную магнитоакустику.
Разработаны методы фокусировки нейтронов, рентгеновского и инхротронного излучения: испытана нейтронная поликапиллярная инза, исследован эффект фокусировки нейтронного пучка на основе ифракции по Лауэ в. тонких совершенных кристаллах, а также в ристаллах с системой прорезей, обнаружен эффект фокусировки инхротронного излучения на колеблющихся кристаллах слабых юрромагнетиков. Обнаружен эффект гигантского влияния габоферромагаитных доменов на интенсивность аномального ропускания рентгеновских лучей и предложено использование этого ффекта для глубокой модуляции интенсивности пучка.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В магнитном рассеянии нейтронов могут возникать динамические рфекты, которые, в целом, отражают более сложный по сравнению с этенциальным ядерным рассеянием характер взаимодействия гйгронов с атомными магнитными моментами и чувствительны к звершенству не только кристаллической, но и магнитной структуры эисталла, проявляющей в ряде случаев меньшее совершенство, чем эисталлическая.
-
Существуют кристаллы ВТСП и родственных систем, в которых кхеяние нейтронов и рентгеновских лучей-имеет динамический ірактер, что показывает, что эти кристаллы близки к идеальным. В то
же время, наблюдается отличие динамических эффектов от теоретических для идеальных кристаллов, что указывает на существование дефектов.4'
-
Измерение динамических эффектов в кристаллах слабых ферромагнетиков и высокотемпературных сверхпроводников позволяет повысить точность в структурных измерениях, выявить кристаллические и "магнитные" дефекты и установить влияние внешних воздействий (магнитных полей, ультразвука, магнитных переходов) на кристаллическую и магнитную решетку этих соединений. Влияние магнитных полей на интенсивность рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах слабых ферромагаетиков в условиях аномального пропускания может достигать гигантской величины (2 порядка).
-
В рассеянии нейтронов, рентгеновского и сішхротронного излучений на возбужденных кристаллах слабых ферромагнетиков проявляются магнитоакустические и акустомагншные эффекты, которые имеют резонансный характер и отражают как особенности взаимодействия излучения с почти совершенными кристаллами, так и нелинейную природу самих магнитоакустических волн.
-
При дифракции по Лауэ в совершенных кристаллах и многократном отражении от внутренних поверхностей сходящихся микрокапилляров возможна "острая" фокусировка тепловых нейтронов. Использование эффекта фокусировки при определенных геометриях эксперимеша позволяет повысить угловое и пространственное разрешение в широком комплексе исследований по рассеянию и пропусканию нейтронов, в частности, получать сфокусированные радиографические изображения объектов.
Практическая ценность. Динамические ди^акционные эффекты, обнаруженные в магнитоупорядоченных и сверхпроводящих кристаллах, являются основой новых прецизионных методов изучения магнитной и кристаллической структур, спиновой плотности, дефектов, доменов, сшш-переориенгационных переходов, акустических и магнитоакустических колебаний в этих соединениях. Информация о совершенстве кристаллов, полученная в работе, учитывалась при развитии методик синтеза кристаллов ВТСП и слабых ферромагнетиков и интерпретации ряда данных, полученных на этих и аналогичных кристаллах другими методами.
Развит метод прямого и бесконтактного изучения магнитоакустических колебаний на основе дифракции нейтронов, рентгеновского и синхротронного излучения в совершенных кристаллах.
Метод позволяет измерять широкий спектр характеристик колебаний, осуществлять их визуализацию, изучать нелинейные магшпоакустические явления..
Развиты новые методы фокусировки и модуляции нейтронного, решгеновского и синхротронного излучений, а также приложения этих, методов для экспериментов по рассеянию и пропусканию излучения. Показано, что использование фокусирующих методов в определенных геометриях позволяет в ряде случаев проводить на стандартных нейтронных установках измерения, которые обычно выполняются на специализированных приборах с высоким разрешением или потоком. Использование метода Лауэ-фокусировки заложено в проект установки, сооружаемой на Курчатовском источнике синхротроішого излучения.
Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных совещаниях по когерентному взаимодействию излучения с веществом (Юрмала-1988, Алуіпта-1990), на Совещаниях по использованию рассеяния нейтронов в физике твердого тела (Заречный-
1987, Заречный-1989, Гатчина-1991, Зеленогорск-1995, Заречный-1997),
Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Калинин-
1988, Ташкент-1991), Международных конференциях по рассеянию
нейтронов (Бомбей-1991, Торонто-1997), Европейских
[фисталлографических конференциях (Москва-1989, Дрезден-1994),
Международной школе по нейтронной физике (Алушта-1990),
Европейской конференции по физике конденсированного состояния
71иссабон-1990), Советско-американском семинаре по рассеянию
зейгронов (Нью-Йорк-1991), Российско-французском семинаре по
^временным проблемам физики конденсированного состояния и
тейтронным методам (Гатчина-1993), Национальной конференции по
трименению рентгеновского, синхротронного излучения, нейтронов и
щектронов для исследования материалов (Дубна-1997), Европейских
сонференциях по дифракции высокого углового разрешения и
топографии (Марсель-1992, Берлин-1994, Дурхэм-1998),
Международном семинаре по структурным исследованиям на
вдгульсных источниках нейтронов (Дубна-1992), Международном
:импозиуме по нейтрошгой оптике (Куматори-1996), Нейтрошюм
ателлигном совещании Международного конгресса кристаллографов
Гезебург-1996), Международной школе по динамической теории
[ифракции рентгеновских лучей и нейтронов (Еричи-1996), а также на
жегодных научных конференциях Шститута сверхпроводимости и
эизикитвердого тела РНЦ "Курчатовский Иііститут" (1985-1998).
За работы, вошедшие в диссертацию, автор отмечен премиеі Европейской академии наук для молодых ученых (1995), Курчатовскоі премией (1994), 1-ой премией на конкурсе молодых научныз сотрудников РНЦ Курчатовский Институт (1990).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 3^ печатных работах, список которых приведен в конце автореферата
Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения пяти частей, двенадцати глав, заключения с выводами и библиографии Работа содержит»^ страниц, /0 рисунков, j?_ таблиц и список литературы из %Y?- наименований.
