Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Зеркальное отражение и незеркальное рассеяние нейтронов, синхротронного и рентгеновского излучения на искусственных многослойных тонкопленочных структурах 10
1.1. Полное внешнее отражение и преломление нейтронов на границе среды и вакуума 10
1.2. Отражение нейтронов от многослойной тонкопленочной структуры 17
1.3. Рассеяние нейтронного, рентгеновского и синхротронного излучений на неидеальных межслойных границах в многослойных тонкопленочных структурах 27
Глава II. Использование поляризационной нейтронной рефлектометрии для исследования магнитных многослойных структур 35
2.1. Поляризационная нейтронная рефлектометрия 35
2.2. РПН-2М - двухмодовый рефлектометр на поляризованных нейтронах с анализом поляризации после образца 44
2.2.1. Общая схема установки 44
2.2.2. Разрешение рефлектометра и первичная обработка данных 47
2.2.3. Двойной зеркальный монохроматор 50
2.2.4. Сравнение двух режимов (мод) работы рефлектометра РПН-2М 53
2.2.5. Автоматизация управления рефлектометром РПН-2М 54
2.3. Рефлектометр EROS 58
2.4. Рефлектометр TOREMA И 59
2.5. Рефлектометр ADAM 61
2.6. Приготовление образцов 63
2.7. Выводы 65
Глава III. Исследование незеркального рассеяния поляризованных нейтронов на неидеальных межслойных границах в многослойных магнитных структурах 66
3.1. Исследования на TOREMA II 66
3.2. Исследования на EROS 79
3.3. Исследования на ADAM 90
3.4. Теория незеркального рассеяния поляризованных нейтронов 96
3.5. Обсуждение экспериментальных результатов 105
3.6. Выводы 115
Глава IV. Нейтронные поляризующие и неполяризующие многослойные структуры на стеклянной и прозрачной для нейтронов подложках 118
4.1. Нейтронные поляризующие и неполяризующие многослойные периодические структуры на стеклянной и прозрачной для нейтронов подложках 118
4.1.1. Поляризационный нейтронный рефлектометр с использованием двойных многослойных монохроматоров 125
4.2. Нейтронные поляризующие апериодические многослойные структуры (суперзеркала) на стеклянных подложках и их применение 131
4.3. Нейтронное поляризующее суперзеркало Fe/Al на кремниевой кристаллической подложке 135
4.3.1. Применения нейтронного поляризующего суперзеркала Fe/Al на ft кремниевой кристаллической подложке 140
4.4. Нейтронные поляризаторы на прозрачных для нейтронов и света подложках 148
4.4.1. Нейтронное поляризующее суперзеркало Fe/Ge на кварце 150
4.5. Выводы 152
V. Заключение по результатам диссертационной работы 155
Список литературы 159
- Отражение нейтронов от многослойной тонкопленочной структуры
- РПН-2М - двухмодовый рефлектометр на поляризованных нейтронах с анализом поляризации после образца
- Теория незеркального рассеяния поляризованных нейтронов
- Нейтронные поляризующие апериодические многослойные структуры (суперзеркала) на стеклянных подложках и их применение
Введение к работе
Искусственные Многослойные Тонкопленочные Структуры (ИМТС) нашли широкое применение в различных областях науки н техники. Дальнейший прогресс в технологии их изготовления и расширения области их применения связан с разработкой новых ИМТС и всесторонним изучением их свойств. Это подтверждается значительным ростом числа публикаций и проведением нескольких ежегодных международных научных конференций, посвященных проблемам физики ИМТС.
В нейтронной физике ИМТС используются в виде нейтронных монохроматоров (периодическая структура ИМТС) и суперзеркал (апериодическая структура ИМТС) в разнообразных нейтронно-оптических устройствах, без которых немыслим современный нейтронно-физический эксперимент. Особую роль в такого рода экспериментах играют поляризованные нейтроны, с помощью которых можно проводить исследования магнитной структуры образца, используя уникальное свойство нейтрона - наличие у него магнитного момента.
Нейтронные пучки тепловых и холодных нейтронов поляризуют, в основном, методом зеркального отражения [1, 2] под малыми углами от специальных Нейтронных Поляризующих Магнитных Многослойных Структур (НПММС), например, таких как суперзеркалаCo/Ti [3], CoFeV/TiZr [4], Co4SFeMV2mN,[5].
Актуальную проблему представляет решение задачи создания на прозрачных для нейтронов подложках (кремний, кварц, сапфир и др.) компактных нейтронных поляризаторов и анализаторов на основе НПММС, имеющих высокие поляризующую эффективность в широком спектральном диапазоне и коэффициент пропускания нейтронного потока для одной спиновой компоненты. Особенно это актуально для работы с тепловыми нейтронами, где, например, длина одноканальных нсйтроноводов-поляризаторов при ширине пучка в несколько миллиметров составляет обычно величину порядка нескольких метров [б].
Физические свойства реальных НПММС (коэффициент отражения и поляризующая эффективность), как, впрочем, и других ИМТС, в значительной мере зависят от степени их совершенства: однородности слоев, степени идеальности межслойных границ и т.д. Одним из основных факторов, ограничивающих эффективность применения многослойных тонкопленочных структур является шероховатость межслойных границ этих структур. Шероховатости всегда присутствуют в той или иной мере во всех многослойных структурах. Наличие шероховатостей приводит к ослаблению зеркального отражения и возникновению рассеяния в незеркальных направлениях, падающего на
исследованные структуры излучения. Например, для пиков высоких порядков брэгговского отражения интенсивность диффузного рассеяния может превышать интенсивность самих зеркальных пиков. Поэтому исследование природы шероховатостей и их корреляций между границами слоев с помощью незеркального рассеяния рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений представляют практический И фундаментальный интерес.
Из богатого спектра экспериментальных методик, используемых для изучения монослоез и ИМТС, особый интерес представляет использование процессов зеркального отражения и незеркального рассеяния рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений, которые обеспечивают возможность детального изучения структуры в ее глубину без разрушения.
При этом рефлектометрия поляризованных нейтронов широко используется для того, чтобы характеризовать зависимость от глубины магнитную и ядерную плотности тонких пленок и ИМТС. Однако, данных по зеркальной рефлектометрии недостаточно для получения полной информации о латеральных характеристиках слоев (флуктуации плотности, состава, намагниченности и т.п.) и межслойных границ (корреляции шероховатостей, ступеньки роста и т.п.)- Такая информация абсолютно необходима для понимания физики процессов формирования поверхностей и межслойных границ, развития флуктуации в слоистых структурах при фазовых переходах, электронных и магнитных свойств искусственных сверх структур и т.д., а также при использовании и совершенствовании ИМТС.
Исследования процесса незеркального рассеяния рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений весьма актуальны, т.к. позволяют получить необходимую информацию и определить фундаментальные характеристики состояния поверхностей монослоев и межслойных границ ИМТС (среднеквадратичная величина шероховатости, корреляционные параметры, степень конформности и диффузного размытия), их зависимости от внешних параметров и процедуры приготовления.
Известен ряд работ, посвященных этой теме (см., например, [7-21]). Однако, основная масса работ посвящена исследованиям с использованием рентгеновского и синхротронного изучений. Это связано, в основном, с существенно меньшей интенсивностью нейтронных пучков по сравнению с рентгеновскими и тем более с сннхротронньши пучками. Тем не менее, исследования с нейтронами, в особенности с поляризованными, позволяют получить дополнительную информацию как о магнитной структуре образца, так и о степени её корреляций со структурой ядерной подсистемы. Особый интерес представляет исследование так называемых динамических
эффектов рассеяния поляризованных нейтронов иа И МТС, которые приводят к различным интерференционным явлениям, наблюдаемым при резонансном усилении квазибрэгговского рассеяния. Это совершенно не изученная с помощью поляризованных нейтронов область. Динамические эффекты приводят к появлению богатой тонкой структуры в распределении диффузного рассеяния, которая чувствительна к особенностям неидеального образца.
Изучение незеркального рассеяния представляет большой интерес как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения методической при ис пользовании нейтронно-оптическнх элементов. Знание картины распределения интенсивности незеркального (диффузного) рассеяния нейтронного пучка на реальных многослойных структурах, используемых в нейтронно-физических установках в качестве нейтронно-оптических элементов позволит, в частности, оценить распределение этой интенсивности, являющейся фоновой интенсивностью в данной установке и провести комплекс мероприятий по уменьшению уровня фона на основе знания этого распределения.
Исследование кезеркального рассеяния поднимает на качественно новый уровень исследования ИМТС существенно дополняя информацию, полученную при изучении зеркального отражения ИМТС. В некоторых случаях игнорирование незеркального рассеяния может привести к грубым ошибкам в интерпретации экспериментальных данных.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является детальное исследование эффекта когерентного усиления незеркального рассеяния поляризованных нейтронов на конформно коррелированных шероховатостях межслойных границ в разработанных высокоэффективных периодических и апериодических НПММС: Со/П, Fe/Ge и Fe/Ai. Это исследование необходимо для углубления понимания фундаментальных проблем взаимодействия поляризованных нейтронов с неидеальными магнитными многослойными структурами и решения прикладных задач, включая диагностику полученных структур для совершенствования методики напыления, а также анализ особенностей использования реальных НПММС в исследовательских установках.
Способы достижения цели диссертационной работы или задачи диссертационной работы.
1. Исследование эффекта когерентного усиления незеркального рассеяния поляризованных нейтронов на конформно коррелированных шероховатостях межслойных границ, впервые
обнаруженного на нейтронном рефлектометре TOREMA її (GKSS, Германия) при исследовании образцов периодических и апериодических НПММС: Co/Ті, Fe/Ge и Fe/AI.
2. Изготовление образцов периодических НПММС бОСо/Ті и 60Fe/Al (но 60 пар слоев) и
исследование на этих образцах структуры квазибрэгтовских полос незеркального
рассеяния поляризованных нейтронов на рефлектометре EROS (LLB, Франция) и на
рефлектометре ADAM (ILL, Франция).
3. Количественное описание, в рамках Борновского Приближения Искаженных Волн
(БЇЇИВ), экспериментальных данных по незеркальному рассеянию поляризованных
нейтронов на периодической 60Со/Ті и апериодической (суперзеркале) VefM НПММС.
Определение параметров неидеальности данных структур.
4. Анализ проблемы создания компактных высокоэффективных поляризаторов и
анализаторов на прозрачных для нейтронов подложках на примере подложек кремния и
кварца.
5. Разработка нейтронного поляризующего суперзеркала Fe/Al с использованием расчетов
на основе матричного формализма. Изготовление на основе этого поляризующего
суперзеркального покрытия на кремниевой подложке компактных нейтронных
поляризаторов и анализаторов и исследование их свойств.
6. Разработка и исследование высокоэффективных нейтронных монохроматоров-
поляризаторов Co/Ті на стекле и на кремнии, а также высокоэффективных отражающих
нейтронных монохроматоров Ni/Ti на стекле. Анализ вариантов использования двойных
многослойных поляризующих и неполяризующих монохроматоров в рефлектометрии.
7. Создание на основе разработанного высокоэффективного отражающего нейтронного
монохроматора Ni/Ti узла двойного монохроматора для нейтронного рефлектометра РПН-
2М (ВВР-М ПИЯФ),
В результате проделанной работы удалось решить поставленные задачи.
Данная диссертация - первое систематическое исследование процессов незеркального рассеяния поляризованных нейтронов на магнитных многослойных структурах с неидеальными межслойными границами.
Краткое содержание диссертации.
В первой главе, состоящей из трех частей, рассмотрены вопросы, связанные с проблемой возникновения зеркального отражения и незеркального рассеяния рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений на тонких магнитных пленках, периодических и апериодических ИМТС. Показана актуальность исследований ИМТС с поляризованными нейтронами. В первой части главы рассмотрено явление полного
внешнего отражения и преломления нейтронной водны на границе среды и вакуума. Во второй части главы обсуждается зеркальное отражение нейтронов от многослойной структуры произвольного вида, в т.ч. и от магнитных периодических ИМТС. Рассмотрены многослойные монохроматоры-поляризаторы. В третьей части главы рассмотрено рассеяние рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений на неидеальных межслойных границах в ИМТС. В частности, рассмотрены: а) неидеальные границы раздела двух сред; б) рассеяние на границе раздела двух сред в Борновском Приближении; в) виды неидеальностей межслойных границ ИМТС; г) рассеяние на ИМТС с неидеальными межслойными границами.
Отражение нейтронов от многослойной тонкопленочной структуры
Рассмотрим гипотетическую многослойную структуру произвольного вида, состоящую из набора N однородных идеальных слоев на подложке. Каждый m-ый слой из этого набора характеризуется толщиной dm и потенциалом Vm или соответствующим критическим углом акрт (см. Рис. 1.3). Распределение потенциала внутри данной структуры вдоль координаты z, направленной перпендикулярно плоскости слоев вглубь структуры показано на Рис.1.4. Координата zm, где m = 1.2...N определяет границы слоев. dm- толщина т-го слоя, определяется как d = zm - zm_,. Пусть коллимированный монохроматический пучок тепловых или холодных нейтронов с волновым вектором к0 падает из вакуума под малым углом а на данную структуру, как показано на Рис. 1.3. Падающий пучок будет частично отражаться и преломляться на границе каждого m-го слоя, согласно критическому углу а этого слоя. Различные отраженные волны будут интерферировать друг с другом, что приведет к возникновению максимумов и минимумов в зависимости от угла а. Для того, чтобы понять эту сложную зависимость можно представить рассматриваемую многослойную структуру в виде одномерного потенциала V(z), изображенного на Рис. 1.4 и решить, как это сделано в [40, 41] уравнение Шредингера (1.1) относительно нормальной к поверхности слоев компоненты ЧР(г, р0) волновой функции (гДо), где pQ = к0 sin а нормальная компонента волнового вектора к0 падающих на образец нейтронов. Нормальная компонента волнового вектора в т-м слое рт с учетом поглощения и рефракции выглядит как где pKpm=asinaKpm, 8т - величина, определяющая поглощение нейтронов в m-м слое. Решение уравнения
Шредингера ищется в каждом слое в виде суперпозиции плоских волн с волновыми векторами, нормальными к поверхности [24]: % (г) = где т= 1,2,....N N - число слоев, tm - коэффициент прохождения m-го слоя, гт - коэффициент отражения от m-го слоя. ,(z) = r-exp[(i.pI-(z-zw)] г г (1.32) - волновая функция в подложке a. .- критический угол подложки, 8S - величина, определяющая поглощение нейтронов в подложке. Затем используется условие непрерывности волновых функций и их производных на границах слоев. Следуя [24] и по аналогии с [40, 41] для каждого слоя т с нормальной компонентой волнового вектора в слое рт и толщиной слоя dm=zm- гт_, можно ввести характеристическую матрицу Sm: Этот матричный формализм получил широкое распространение для расчета коэффициентов отражения нейтронов от многослойных структур произвольного вида. Этот метод аналогичен матричному методу первоначально развитому в обычной оптике для анализа многослойных систем диэлектрических пленок [38]. В работе [42] впервые использовался матричный метод для расчета коэффициента отражения плоской нейтронной волны от многослойной системы. В [43] использовался этот метод для вычисления коэффициента отражения от многослойной структуры FeCo/Ti, которая рассматривалась как поляризующее зеркало. В [40, 41] этот метод использовался для расчета нейтронных коэффициентов отражения поляризующих и неполяризующих, периодических и апериодических (суперзеркал) многослойных структур. Задачи, выполняемые с использованием матричного формализма легко программируются и не требуют большого времени для их расчета на современных компьютерах. Наряду с матричным формализмом существует рекуррентный метод или метод Паррата [44] алгебраического вычисления коэффициентов отражения рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений от произвольных многослойных структур с учетом их неидеальности (окисные слои и т.д.). В этом методе используется условие непрерывности волновой функции и ее производной на границах каждого слоя, что позволяет определять волновые функции для каждого слоя и вычислять коэффициент отражения для всей структуры. Этот метод также нашел широкое применение при работе с многослойными структурами (см., например, [45]). Рассмотрим частный случай многослойной структуры, изображенной на Рис. 1.3, когда структура периодическая или мультибислойная, т.е. состоит из чередующихся слоев двух различных материалов (аморфных или поликристаллических)
А и В с соответствующими потенциалами У, и V2, определенными из (1.3) и толщинами слоев d] и d2, а также подложки с потенциалом Vs. Поперечный разрез такой структуры представлен на Рис. 1.5. Распределение потенциала V в такой периодической структуре в зависимости от координаты z, перпендикулярной плоскости слоев и направленной вглубь структуры, представлен на Рис. 1.6 для V2 0. Структура создается вакуумным напылением или магнетронным осаждением атомов материалов А и В послойно на гладкую подложку, например, стеклянную.
Период структуры D-dx +d2 KN-число пар слоев. Также структуру можно представить как одномерный искусственный кристалл с постоянной решетки D [35, 41]. В этом случае отраженная интенсивность будет иметь максимумы при выполнении условия Брэгга: где в - угол скольжения; т = 1,2,3,.... Это обстоятельство было использовано в работе [46], где сообщалось о создании новых нейтронных монохроматоров на основе многослойной структуры чередующихся плоскопараллельных слоев Мп и Ge. Теория, свойства и применение нейтронных многослойных неполяризующих монохроматоров обсуждены в ряде работ (см., например, [46-50]). Такие монохроматоры обладают рядом преимуществ по сравнению с кристаллическими: высокий коэффициент отражения R 1, вклад 2-го порядка составляет менее 1% от вклада 1-го порядка, возможностью использования их в области холодных нейтронов, недоступной для кристаллических монохроматоров. Матричный метод применим также для расчета неидеальных монохроматоров, у которых межслойные границы размыты, например, из-за интердиффузии атомов материалов соседних слоев, т.е. слои неоднородны по нормальной координате, но однородны при этом вдоль плоскости слоев. В этом случае распределение потенциала V(z) будет иметь вид, изображенный на Рис. 1.7. V(z) можно разбить на ряд малых участков, как показано на этом рисунке, так что внутри каждого участка можно считать V(z) и, соответствующий ему показатель преломления постоянными или пренебречь изменением потенциала. Затем для каждой такой области подготовить соответствующую характеристическую матрицу, затем матрицы перемножить и проделать описанные выше действия с целью получения коэффициента отражения (см., например, [51]).
РПН-2М - двухмодовый рефлектометр на поляризованных нейтронах с анализом поляризации после образца
РПН-2М - комбинированный нейтронный рефлектометр на поляризованных нейтронах с анализом поляризации после образца [28]. Это достигается введением в схему время-пролетного рефлектометра двойного зеркального монохроматора. Диапазон по переданному импульсу во время-пролётном режиме равен 0.045-1.37 нм \ в режиме с постоянной длиной волны - 0.06 - 1.1 нм " . Следут отметить, что данный рефлектометр неоднократно модернизировался [140, 141]. Его первый вариант, появившийся в 1977 году [142], т.е. на 10 лет раньше, чем у Дж.Фельчера, по-видимому, является, фактически, первым поляризационным нейтронным рефлектометром. Двухмодовый рефлектометр на поляризованных нейтронах РПН-2М с анализом поляризации после образца установлен на горизонтальном тепловом пучке №13 реактора ВВР-М в ПИЯФ. Схема двухмодового рефлектометра показана на Рис. 2.3. Коллиматор (1) расположен внутри реакторного канала, состоит из трех частей и задает первичную коллимацию в горизонтальной плоскости 2 мрад. Монитор (2) представляет собой горизонтально расположенный низкоэффективный нейтронный счетчик типа СНМ-13. Одним из основных элементов рефлектометра на поляризованных нейтронах является поляризатор (3), который представляет собой прямой канал шириной 1мм и длиной 1260мм, образованный зеркалами Co6oFe4o с поглощающим подслоем Tig5Gdi5. Отклонение плоскости зеркал от идеальной не превышает 0.1 мрад. Намагничивающее поле для поляризатора 500 Э создаётся постоянными магнитами.
Имеется возможность поворотом поляризатора изменять коротковолновую границу спектра выводимого пучка. Поворот поляризатора изменяет также кратность отражения в поляризующем зеркальном канале, что приводит к изменению средней по спектру поляризации выходящего нейтронного пучка [142]. На Рис.2.4 показан спектр поляризованного пучка при 1-внутриканальный коллиматор, 2-монитор, З-CoFe поляризатор с постоянным магнитом, 4-прерыватель нейтронного пучка, 5-первая формирующая Cd щель, 6-двойной зеркальный Ni/Ti монохроматор, 7-первый спин-флиппер, 8-вторая формирующая Cd щель, 9-узел образца с электромагнитом, 10-образец, 11-второй спин-флиппер, 12-CoFe/TiZr суперзеркальный анализатор с постоянным магнитом, 13-Cd щель перед детектором, 14-детектор (гелиевый счетчик СНМ-17). Стрелками обозначены оси движения котировочных столиков. трехкратном отражении в поляризаторе. Здесь же приведены данные спектрального распределения измеренной поляризации пучка Р, полученные с помощью суперзеркального анализатора на основе CoFe/TiZr [4], согласно соотношению (2.1). Из Рис.2.4 видно, что на длинах волн выше 0.3 нм поляризующая эффективность поляризатора снижается, поэтому планируется замена этого поляризатора более эффективным на основе CoFe/TiZr суперзеркал [4]. Прерыватель пучка (чоппер) (4) выполнен в виде титано-кадмиевого диска диаметром 500 мм, закрепленного на валу электродвигателя. Рабочая часть диска имеет слой Cd толщиной 2мм и четыре щели размером 2x40мм2. Номинальная скорость вращения диска 1500 об/мин, что обеспечивает частоту прерывания пучка 100 Гц. Формирующие щели (5,8) с размером окна 0.15x25мм2 изготовлены из кадмия. Узел двойного монохроматора (6) состоит из двух параллельных зеркал-монохроматоров, жестко соединенных через прокладки толщиной 0.4 мм и 58NiMo фильтра на кремнии. В этом узле пучок двукратно отражается, монохроматизируется и фильтруется от длинноволновых нейтронов. Узел установлен на юстировочном столике, который позволяет изменять рабочую длину волны монохроматора или выводить его из пучка при переходе во время-пролетный режим. Отличительной особенностью первого спин-флиппера (7) корнеевского типа [143, 144] является наличие протяженной области нулевого поля в виде вертикальной линии.
Рабочая область такого спин-флиппера для немонохроматического пучка нейтронов лежит в окрестности этой линии. В нашем случае это снимает ограничение на вертикальный размер сечения пучка. Эффективность первого спин-флиппера 1 (f\) в зависимости от Я и ширины пучка Ах была определена экспериментально [145] с использованием анализатора, установленного на месте образца: Средняя по спектру величина /\ равна 0.9993±0.0001. Узел образца (9) состоит из программно управляемого юстировочного столика, на который установлен электромагнит с зазором 130 мм. Электромагнит создает в области образца (10) однородное магнитное поле с напряженностью Н до 590Э и используется для намагничивания образца. Поле электромагнита одновременно служит для создания ведущего поля в промежутке между поляризатором и анализатором. Второй спин-флиппер (11) радиочастотного типа [146] расположен между узлом образца и анализатором. При проверке эффективности работы спин-флипперов пучок после поляризатора проходит через оба спин-флиппера (образец в данном эксперименте отсутствует), отражается от зеркала анализатора и детектируется. Использование радиочастотного спин-флиппера позволяет переворачивать спины нейтронов, рассеянных образцом в большом угловом диапазоне и большом сечении пучка, что затруднено при использовании корнеевского спин-флиппера. Именно по этой причине после образца был установлен радиочастотный спин-флиппер. Интегральная по спектру эффективность переворота спина для первого спин-флиппера равна /i =0.998±0.002, а для второго - /2 =0.997±0.002. В пределах точности, величина f\ согласуется с полученной ранее для данного спин-флиппера /i =0.9993±0.0001 [145]. Анализатор (12) представляет собой поляризующее суперзеркало CoFe/TiZr [4], установленное в зазор постоянного магнита с напряженностью поля 400Э. Магнит с анализатором установлены на программно-управляемом юстировочном столике. Детектор (14) представляет собой гелиевый счетчик СНМ-17 (диаметром 17мм), окруженный защитой из кадмия и борированного полиэтилена (на Рис.2.3 защита детектора не показана). Перед детектором имеется программно-управляемая съемная щель (13) из кадмия.
Теория незеркального рассеяния поляризованных нейтронов
В Главе I было кратко рассмотрено рассеяние рентгеновского и синхротронного излучений в Борновском Приближении Искаженных Волн (БПИВ). Отмечалось, что это приближение наиболее адекватно, по сравнению с Борновским Приближением, описывает процесс незеркального рассеяния этих видов излучений, как вблизи области полного отражения от среднего потенциала, так и вблизи пиков брэгговских отражений. В работе [24] метод описания незеркального рассеяния рентгеновского излучения на шероховатостях поверхностей [7] и межслойных границ [14, 15] был распространен на случай рассеяния поляризованных нейтронов на неидеальных межслойных границах в магнитных многослойных системах. Эта работа была инициирована результатами, проведенных ранее измерений на НПММС Co/Ті, Fe/Ge и Fe/Al на нейтронном рефлектометре TOREMAII (см. Глава III. 1.). Как известно, в БПИВ, в качестве нулевого приближения, используются не плоские волны в свободном пространстве, а точные волновые функции, полученные для оптического потенциала, усредненного по шероховатостям поверхности. Здесь термин "искаженная волна" понимается, как точная волновая функция в материале образца при падении на него плоской волны, а не сама плоская волна в свободном пространстве, как, например, в Борновском Приближении. Потенциал рассеяния V(r), используемый в уравнении Шредингера, разбивается на 2 части: первая часть - потенциал рассеяния на структуре с гладкими (идеальными) усредненными границами V(0,(?) = V(0)(z), для которого задача решается точно. Вторая часть - потенциал, обусловленный неидеальностью (шероховатостью) межслойных границ V(U(г), рассматривается как источник возмущения, приводящий к незеркальному рассеянию. Потенциал V{r) взаимодействия нейтрона с многослойной структурой выглядит как: потенциал ядерного рассеяния дан уравнением VN (?) = где тп масса нейтрона, N - плотность атомов и і- длина когерентного ядерного рассеяния определяются материалом каждого слоя, обозначенного индексом т. Координата г направлена перпендикулярно поверхности вглубь структуры. Магнитная часть потенциала есть где /і - магнитный момент нейтрона, В(7) - магнитная индукция и знак «+» или «-» соответствует положительной или, соответственно, отрицательной проекции спина нейтрона на направление магнитного поля. Усредненная по несовершенствам, невозмущенная часть потенциала представлена в уравнении (3.5) функцией Vm(z), которая зависит только от координаты г, перпендикулярной поверхности слоев. Vm{z) представлена произведением ступенчатых функций: где dm = zm - zm_\ - толщина m-ro слоя. Эта конструкция определяет положения межслойных границ zm и средние значения потенциала Vm в пределах каждого слоя. Эти параметры используются для построения опорных волновых функций Ч о(z) Здесь мы пренебрегаем отклонением формы реальной линии усредненного потенциала от ступенчатой функции, например, вследствие взаимной диффузии материалов смежных слоев структуры.
Шероховатость (или другие дефекты межслойных границ) создает флуктуирующую часть потенциала 8 Vm (?). Ее среднее значение равно нулю для каждой индивидуальной межслойной границы,т.е. (8Vm(7)) = 0. Поперечное сечение для произвольной многослойной структуры с неидеальными межслойными границами представлено на Рис.3.22. Величины т определяют номер слоя, dm- толщину слоя и Vm- потенциал слоя, соответственно. Координаты zm определяют положения, усредненных по несовершенствам межслоиных границ структуры и г0 = 0 определяет границу между верхним слоем (т = 1) и вакуумом, a zN - границу между последним слоем и подложкой. Т.е. величины zm определяют координаты идеально плоских границ слоев идеальной структуры, имеющей внутри каждого слоя постоянный потенциал Vm. Предполагается, что на границах этой идеальной структуры потенциал меняется скачком. Рассмотрим два невозмущенных состояния Ч .) и NO, удовлетворяющие уравнению Шредингера и соответствующие двум различным волновым полям в идеальной системе (с идеальными границами слоев), тогда потенциал, обусловленный шероховатостью действует как возмущение, что приводит к рассеянию (переходу) из состояния [ - нормальные компоненты волновых векторов k"f и к"г состояний і и /, соответственно, 2-ж в m-ом слое данной многослойной структуры (Рис.3.22), ртс =—-—sin атс, атс л 2-я . 2-я . критический угол m-го слоя, рОІ =—-—sin а,, р0/ =—-—sma/ - нормальные Я Я компоненты волновых векторов к; f.
Нейтронные поляризующие апериодические многослойные структуры (суперзеркала) на стеклянных подложках и их применение
Поляризующие апериодические многослойные структуры (суперзеркала) на стеклянных подложках широко используются в настоящее время в неитронно-физическом эксперименте (см., например, [3-5]). В отличие от периодических структур, суперзеркала могут быть использованы, при работе с пучками, имеющими большую угловую расходимость и широкое распределение по длинам волн. Поэтому суперзеркала более универсальны по сравнению с монохроматорами. В поляризующем суперзеркале используется последовательность чередующихся слоев двух материалов: магнитного и немагнитного, но в отличие от монохроматора, период структуры монотонно увеличивается при удалении от подложки. Эта последовательность заканчивается самым толстым слоем (-700 А ) магнитного материала на границе с вакуумом. Неполяризованный немонохроматический пучок нейтронов падает на поляризующее покрытие (ПП) под углом в . Проходя многослойное поляризующее покрытие, нейтроны (+) спинового состояния отражаются от границ слоев и интерферируют между собой, причем от тонких пар когерентно отражаются нейтроны с меньшими длинами волн Я и соответствующими перпендикулярными длинами волн Я± = Я / в (они проходят глубже в структуру ПП), от более толстых пар - с большими Ях, вплоть до Я (І). В результате диапазон «полного» отражения значительно расширяется в коротковолновую область (в этом, собственно, суть любого суперзеркала). Нейтроны (-) спинового состояния проходят через ПП без отражений (поскольку Аг 1) = Ягр(2)) и попадают в антиотражающее покрытие (АОП), от которого отражаются незначительно, т.к. справедливо следующее соотношение: где (АОП) " граничная длина волны, соответствующая реальной части потенциала АОП. Таким образом, (-) компонента пучка практически полностью поглощается в АОП. Поляризующие суперзеркалъные (SM) бендеры (многоканальные нейтроноводы с зеркальными каналами, изогнутыми по окружности) - мощные инструменты для использования поляризованных нейтронов в исследованиях по ядерной физике и физике конденсированного состояния. Как поляризующие, так и неполяризующие многоканальные нейтроноводы производятся в ПИЯФ [4, 174].
Главные особенности устройств, следующие: - тонкие (обычно 0.3мм) стеклянные подложки с суперзеркальным (SM) двусторонним покрытием, увеличивающим критический угол вс в два раза по сравнению с критическим углом для Ni; - поляризующее SM покрытие CoFe/TiZr с 0с=З.ЗЗмрад/А и коэффициентом отражения на этом угле равном 0.75; - неполяризующее SM немагнитное покрытие NiMo/Ti с #с=З.Змрад/Л. и коэффициентом отражения на этом угле близком к 0.90. У каждого отдельного зеркала проверяется коэффициент отражения перед сборкой в устройство. Геометрические параметры бендера следующие: а - ширина канала в плоскости бендера, L - длина прямой видимости (минимальная длина бендера), р - радиус кривизны канала, в - угол скольжения пучка нейтронов (Ах =А/0 - перпендикулярная длина волны нейтронов, соответствующая этому углу скольжения), вс - критический угол скольжения нейтронов с длиной волны Я = 1 А (Яс = 1/0с), QcNt - критический угол природного Ni (АС№ =1/0сМ = 578 А ), QcSM - КрИТИЧеСКИЙ УГОЛ СуПерзеркаЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ (OcSM = т-вст), в - характерный угол канала, Я - характерная длина волны канала, в" = Я QcSM . Известно, (см., например, [174, 175]) что Так, что для двух бендеров с одинаковыми покрытиями (когда в = в"2): Для того, чтобы уменьшить длину устройства следует делать каналы как можно уже, т.е. уменьшать а. Недостаток стеклянной подложки состоит в том, что нельзя сделать ее толщину очень маленькой, например, сравнимой с шириной канала. Это приводит к потерям. Эти потери определяются геометрическим фактором пропускания: где 8 - толщина каждой стеклянной подложки. Очевидно, что кя 0.75, когда а 38 . Наименьшая практическая толщина стеклянной подложки (которая еще не слишком волнистая) - приблизительно 0.3 мм. В Отделе Нейтронной Оптики ОНИ ПИЯФ используется в бендерах стеклянная подложка толщиной 0.3 мм фирмы Desag (Германия). Чтобы оценить соответствующие L и р , перепишем (4.4) в форме: Первая попытка по существенному уменьшению L была предпринята в [176]. Были сделаны пары из 100 двойных слоев Ni (550 А ) и А1 (3200 А ) полной толщины 0.037 мм и радиуса кривизны 0.15 м. Длина и высота были выбраны, следующие (в мм): Зх 10, 6х 10, 12x10, при этом отклонения первичного пучка были на 1.35, 2.38, 4.42" (т.е. до 25-6см), соответственно. Коэффициент отражения был высок (R =0.97). Но несмотря на предварительную коллимацию, только 1 % первичной интенсивности был отклонен. Чтобы идти далее в сокращении длины бендера, необходимо исключить воздушные каналы и транспортировать нейтроны прямо через тонкие подложки, прижатые друг к другу. Предварительный шаг был сделан в работе [177], где одновременно использовались воздух и кремний для транспортирования нейтронов. Особенно остро стоит эта проблема при создании анализаторов поляризации, рассеянного на образце нейтронного пучка такой же площади как недавно, появившиеся двухкоординатные детекторы с площадью приемного окна порядка нескольких сотен см2.
