Рефлектометрия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рефлектометрия (от лат. reflecto - отражаю и греч. metreo - измеряю) - совокупность методов исследования плоских границ раздела сред путём анализа зеркально отражённых от изучаемой границы пучков молекул, атомов, частиц или эл--магн. излучения. Наиб. разработана нейтронная Р., поэтому в узком смысле Р.- совокупность методов изучения плоских границ раздела сред, в основе к-рых лежит зеркальное отражение пучка низкоэнергетич. нейтронов (

), падающих под малыми углами скольжения (~10^-3-10^-2 рад) к плоскости границы. Р. разделяют по типу изучаемых объектов на Р. немагнитных и Р. магнитных сред. В первом случае используются пучки неполяризованных, во втором - поляризованных нейтронов (п о л я р и з а ц. Р.). Методами Р. изучают профиль ядерного нейтронно-оптич. потенциала (см. Нейтронная оптика)вдоль нормали к границе на глубинах до неск. тысяч ангстрем, а предметом излучения являются поверхности жидкостей, кристаллических или аморфных тел (массивные пластины, тонкие плёнки на подложках), а также внутр. границы в системах жидкость - жидкость, жидкость - твёрдое тело, плёнка - подложка. С помощью поляризац. Р. изучается поведение вектора локальной намагниченности по глубине, в частности особенности магн. свойств приповерхностной (толщиной

) области ферромагнетиков или идеальных диамагнетиков - сверхпроводников. Объектами изучения в этом случае являются, как правило, массивные пластины или тонкие плёнки на подложках.

Р. получила развитие как один из методов исследований по физике конденспров. сред на импульсных источниках нейтронов. На рис. 1 и 2 показаны принципиальные схемы рефлектометров по методу времени пролёта. Полихроматич. пучок тепловых нейтронов от импульсного источника, сформированный с помощью поглощающих диафрагм (коллиматоров) 1, 2 (рис. 1), падает на поверхность или внутр. границу раздела образца 3 под углом скольжения

рад [угол

имеет разброс

]. Зеркально отражённые нейтроны регистрируются детектором нейтронов 4 и одновременно анализируются по скорости (длине волны) с помощью электронного устройства (временного анализатора), по времени регистрации, т. с. по времени пролёта нейтроном расстояния от источника до детектора. В поляризац. рефлектометре (рис. 2) падающий пучок предварительно поляризован с помощью поляризатора нейтронов 1, а образец 6 размещён в зазоре эл--магн. системы 5 (напр., системы колец Гельмгольца), позволяющей создавать на образце магн. поле, изменять его направление н (или) величину. Эл--магн. система обеспечивает две важные функции: а) воздействует магн. полем на образец; б) задаёт определ. направление вектора поляризации Р падающих нейтронов относительно поверхности образца. Последнее обеспечивается благодаря адиабатич. проведению спина нейтронов в магн. полях установки. Спец. эл--магн. устройство - спин-флиппер 4 обеспечивает изменение знака поляризации в падающем пучке. Изменение угла

производится с помощью механич. устройства поворота образца. Подвижный детектор позволяет измерять как отражённый, так и падающий пучки. Разность координат детектора, соответствующих положениям максимумов прямого и отражённых пучков, позволяет определить угол

с высокой точностью. Совершенствование рефлектометров идёт по пути применения однокоординатных позиционно-чувствит. детекторов нейтронов высокого разрешения (

мм), а также применения многопучкового способа облучения образца, т. е. формирования не одного, а двух или более разнесённых по углу

узких пучков с раздельной регистрацией каждого из них после отражения.

Рис. 1. Схема нейтронного рефлектометра: 1, 2 - диафрагмы; 3 - образец, поверхность которого облучается узкоколлимированным пучком тепловых нейтронов п от источника; 4 - детектор, регистрирующий нейтроны, зеркально отраженные от поверхности образца, - угол скольжения. Типичное расстояние от диафрагмы 1 до детектора 6-10 м.

Рис. 2. Схема поляризационного нейтронного рефлектометра: 1 - поляризатор полихроматических тепловых нейтронов; 2 - диафрагмы; 3 - постоянные магниты для адиабатической проводки спина нейтрона; 4 - спин-флиппер, обеспечивающий при включении реверс вектора поляризации Р относительно ведущего магнитного поля; 5 - система колец Гельмгольца, задающая направление вектора Н относительно плоскости образца; 6 - образец; 7 - детектор, регистрирующий зеркально отражённый пучок.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость коэффициента отражения

от поверхностей одного и того же образца стекла (пластина), получаемого разливом на жидком олове; 1, 2 - коэффициенты отражения от поверхностей, граничащих с оловом и воздухом соответственно. На вставках: пространственная зависимость потенциалов U(z), обеспечивающих подгонку кривых . Заштрихованы области шероховатости.

В Р. результаты измерения представляются в виде коэф. отражения

(рис. 3), связанного с интенсивностями падающего I₀(k_z) и зеркально отражённого I(k_z)пучков соотношением

Здесь k_z - нормальная к границе раздела компонента волнового вектора падающего нейтрона k (k_z =). Теоретич. интерпретация функции R(k_z)основывается на решении стационарной квантовомеханич. задачи об отражении скалярной плоской нейтронной волны

от границы одномерного потенциала

[

эВ - типичное значение; N(z), b(z) - локальные (средние по плоскости ху)плотности рассеивающих ядер и их нейтронных длин рассеяния]. Т. о., форма потенциала U(z)определяется пространственными (вдоль г) особенностями плотности и состава среды на микроскопич. уровне.

Причины, приводящие к размытию потенциала U(z)в приграничных областях (~100

), в основном следующие: на поверхности - микрошероховатость, отличие поверхностной плотности от объёмной, примеси; на внутр. межслойных границах, кроме перечисленных,- взаимная диффузия.

Теоретич. значение R(k_z)получают методами численного решения стационарного Шрёдингера уравнения с модельным потенциалом U(z). Для модели полубесконечной среды (массивная пластина) в области

, где применимо борновское приближение ,задача имеет аналитическое решение:

где R₀(k_z) - козф. отражения от потенциала с абсолютно резкой границей:

(случай шероховатой границы), то при всех

коэф. R(k_z)с хорошим приближением описывается ф-лой

Нижние значения параметра шероховатости s, извлекаемые из эксперим. значений R(k_z), лежат в области неск. ангстрем. При отражении нейтронов от тонких

плёнок, имеющих потенциал, отличный от потенциала подложки, зависимость R от k_z приобретает осциллирующий характер (рис. 4) вследствие интерференции волн, отражённых от поверхности и от границы с подложкой. В результате средняя по площади толщина плёнки в неск. тысяч

определяется с точностью в неск.

Рис. 4. Экспериментально полученная зависимость коэффициента отражения от поверхности тонкой золотой плёнки, полученной термическим напылением на поверхность стекла. На вставке: форма потенциала U(z), обеспечивающего подгонку кривой

Ферромагн. среды обладают способностью поляризовать тепловые нейтроны, зеркально отражённые от их поверхности. Это объясняется тем, что потенциал

взаимодействия магн. момента нейтрона

с вектором локальной намагниченности образца М имеет, как правило, значения, сравнимые с нейтронно-оптическим ядерным потенциалом U. Количественной мерой процесса поляризации пучка при зеркальном отражении служит вектор поляризующей способности среды Q(k_z), к-рый задаёт величину и направление поляризации, возникающей в отражённом пучке. Между вектором Q(k_z)и вектором M_s(z)[проекция вектора M(z)на плоскость ху] имеется взаимно однозначное соответствие, на основе к-рого из Q(k_z)устанавливают распределение M_s(z). Это позволяет применять поляризац. Р. в качестве метода изучения структуры намагниченности тонких ферромагн. плёнок с неколлинеарным по глубине осн. состоянием либо возникающим из коллинеарного под действием внеш. магн. поля. Эта возможность - уникальное свойство нейтронной поляризац. Р., поскольку др. методы исследования (электронная микроскопия и методы на основе Керра эффекта)не позволяют для таких структур получать полной информации.

В поляризац. Р. последовательно измеряют интенсивности отражённых пучков: положительно поляризованного

(спин-флиппер выключен) и отрицательно поляризованного

(спин-флиппер включён). Знак поляризации пучка задаётся относительно вектора Н ведущего магн. поля установки. Направление Н в месте расположения образца определяет пространственное направление вектора Р поляризации падающего пучка. Величины

связаны со скалярным произведением векторов Р и Q(k_z)соотношением

Т.о., для определения Q_xyz компонент вектора Q(k_z)конкретного образца достаточно измерить

для направлений Р вдоль х, у, z осей соответственно.

Поляризац. Р. используют как прямой метод изучения распределения по глубине диамагн. момента сверхпроводящего образца в приповерхностной области с целью определения лондоновской глубины проникновения магн. поля в сверхпроводник, находящийся в мейснеровской фазе. Формализм описания процесса отражения, служащий для ферромагнетиков, легко переносится на сверхпроводники - идеальные диамагнетики. Для изучения обычных диамагнетиков Р. не применяется.

Литература по рефлектометрии

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.