न्यूट्रॉन विवर्तन

आणविक सिमुलेशन के साथ उपयोग किए जाने वाले न्यूट्रॉन विवर्तन के रूप में जानी जाने वाली एक इमेजिंग तकनीक से पता चला है कि एक आयन चैनल का वोल्टेज सेंसिंग डोमेन (केंद्र में लाल, पीला और नीला अणु) दो-स्तरित कोशिका झिल्ली को परेशान करता है जो इसे (पीली सतहों) से घेरता है, जिससे झिल्ली बनती है। थोड़ा पतला होना।

न्यूट्रॉन विवर्तन या लोचदार न्यूट्रॉन प्रकीर्णन किसी सामग्री के परमाणु और/या चुंबकीय संरचना के निर्धारण के लिए न्यूट्रॉन स्कैटरिंग का अनुप्रयोग है। जांच किए जाने वाले नमूने को न्यूट्रॉन तापमान न्यूट्रॉन विकिरण के बीम में एक विवर्तन पैटर्न प्राप्त करने के लिए रखा जाता है जो सामग्री की संरचना की जानकारी प्रदान करता है। तकनीक एक्स-रे विवर्तन के समान है लेकिन उनके अलग-अलग प्रकीर्णन गुणों के कारण, न्यूट्रॉन और एक्स-रे पूरक जानकारी प्रदान करते हैं: एक्स-रे सतही विश्लेषण के लिए अनुकूल हैं, सिंक्रोट्रॉन विकिरण से मजबूत एक्स-रे उथले गहराई या पतले नमूनों के लिए अनुकूल हैं। , जबकि उच्च प्रवेश गहराई वाले न्यूट्रॉन थोक नमूनों के लिए अनुकूल हैं।^[1]

वाद्य यंत्र और नमूना आवश्यकताएं

तकनीक को न्यूट्रॉन के स्रोत की आवश्यकता होती है। न्यूट्रॉन आमतौर पर परमाणु रिएक्टर या स्पेलेशन स्रोत में उत्पन्न होते हैं। एक शोध रिएक्टर में, क्रिस्टल मोनोक्रोमेटर (थर्मल न्यूट्रॉन के मामले में) सहित अन्य घटकों की आवश्यकता होती है, साथ ही वांछित न्यूट्रॉन तरंगदैर्ध्य का चयन करने के लिए फिल्टर भी। सेटअप के कुछ हिस्से चल भी सकते हैं। लंबी-तरंग दैर्ध्य न्यूट्रॉन के लिए, क्रिस्टल का उपयोग नहीं किया जा सकता है और इसके बजाय विवर्तनिक ऑप्टिकल घटकों के रूप में झंझरी का उपयोग किया जाता है।^[2] स्पैलेशन स्रोत पर, उड़ान तकनीक का समय घटना न्यूट्रॉन (उच्च ऊर्जा न्यूट्रॉन तेज़ होते हैं) की ऊर्जा को सॉर्ट करने के लिए उपयोग किया जाता है, इसलिए कोई मोनोक्रोमेटर की आवश्यकता नहीं होती है, बल्कि वांछित तरंग दैर्ध्य के साथ न्यूट्रॉन दालों को फ़िल्टर करने के लिए एपर्चर तत्वों की एक श्रृंखला होती है। .

तकनीक को आमतौर पर पाउडर विवर्तन के रूप में किया जाता है, जिसके लिए केवल एक पॉलीक्रिस्टलाइन पाउडर की आवश्यकता होती है। एकल क्रिस्टल कार्य भी संभव है, लेकिन क्रिस्टल एकल-क्रिस्टल एक्स - रे क्रिस्टलोग्राफी में उपयोग किए जाने वाले क्रिस्टल से बहुत बड़े होने चाहिए। लगभग 1 मिमी के क्रिस्टल का उपयोग करना आम है^{3</उप>।^[3]
तकनीक को एक ऐसे उपकरण की भी आवश्यकता होती है जो बिखरने के बाद न्यूट्रॉन का पता लगा सके।}

संक्षेप में, न्यूट्रॉन का पता लगाने का मुख्य नुकसान परमाणु रिएक्टर की आवश्यकता है। एकल क्रिस्टल कार्य के लिए, तकनीक को अपेक्षाकृत बड़े क्रिस्टल की आवश्यकता होती है, जो आमतौर पर बढ़ने के लिए चुनौतीपूर्ण होते हैं। तकनीक के कई फायदे हैं - प्रकाश परमाणुओं के प्रति संवेदनशीलता, समस्थानिकों में भेद करने की क्षमता, विकिरण क्षति की अनुपस्थिति,^[3]साथ ही कई सेंटीमीटर की पैठ गहराई^[1]

परमाणु प्रकीर्णन

सभी मात्रा प्राथमिक कणों की तरह, न्यूट्रॉन आमतौर पर प्रकाश या ध्वनि से जुड़ी तरंग घटनाओं को प्रदर्शित कर सकते हैं। विवर्तन इन परिघटनाओं में से एक है; यह तब होता है जब तरंगें बाधाओं का सामना करती हैं जिनका आकार तरंग दैर्ध्य के साथ तुलनीय होता है। यदि क्वांटम कण की तरंग दैर्ध्य काफी कम है, परमाणु या उनके नाभिक विवर्तन बाधाओं के रूप में कार्य कर सकते हैं। जब एक रिएक्टर से निकलने वाले न्यूट्रॉन के बीम को धीमा किया जाता है और उनकी गति से ठीक से चुना जाता है, तो उनकी तरंग दैर्ध्य एक एंगस्ट्रॉम (0.1 नैनोमीटर) के पास होती है, जो एक ठोस पदार्थ में परमाणुओं के बीच विशिष्ट अलगाव होता है। इस तरह के बीम का उपयोग विवर्तन प्रयोग करने के लिए किया जा सकता है। एक क्रिस्टलीय नमूने पर टकराते हुए, यह उसी ब्रैग कानून के अनुसार सीमित संख्या में अच्छी तरह से परिभाषित कोणों के नीचे बिखर जाएगा। ब्रैग का कानून जो एक्स-रे विवर्तन का वर्णन करता है।

न्यूट्रॉन और एक्स-रे पदार्थ के साथ अलग तरह से बातचीत करते हैं। एक्स-रे मुख्य रूप से प्रत्येक परमाणु के आसपास के इलेक्ट्रॉन बादल के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। विवर्तित एक्स-रे तीव्रता में योगदान इसलिए बड़े जेड (परमाणु संख्या) | परमाणु संख्या (जेड) वाले परमाणुओं के लिए बड़ा है। दूसरी ओर, न्यूट्रॉन परमाणु के नाभिक के साथ सीधे संपर्क करते हैं, और विवर्तित तीव्रता में योगदान प्रत्येक आइसोटोप पर निर्भर करता है; उदाहरण के लिए, नियमित हाइड्रोजन और ड्यूटेरियम अलग-अलग योगदान करते हैं। यह भी अक्सर ऐसा होता है कि बड़े Z परमाणुओं की उपस्थिति में भी प्रकाश (कम Z) परमाणु विवर्तित तीव्रता में दृढ़ता से योगदान करते हैं। बिखरने की लंबाई परमाणु संख्या के साथ रैखिक रूप से होने के बजाय आइसोटोप से आइसोटोप में भिन्न होती है। वैनेडियम जैसा तत्व एक्स-रे को जोरदार तरीके से बिखेरता है, लेकिन इसका नाभिक मुश्किल से न्यूट्रॉन को बिखेरता है, यही वजह है कि इसे अक्सर कंटेनर सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। गैर-चुंबकीय न्यूट्रॉन विवर्तन सीधे परमाणुओं के नाभिक की स्थिति के प्रति संवेदनशील होता है।

परमाणुओं के नाभिक, जिनसे न्यूट्रॉन बिखरते हैं, छोटे होते हैं। इसके अलावा, परमाणु के इलेक्ट्रॉन बादल के आकार का वर्णन करने के लिए परमाणु रूप कारक की कोई आवश्यकता नहीं है और परमाणु की बिखरने की शक्ति बिखरने वाले कोण से गिरती नहीं है क्योंकि यह एक्स-रे के लिए होती है। डिफ्रेक्टोग्राम उच्च कोणों पर भी मजबूत, अच्छी तरह से परिभाषित विवर्तन चोटियों को दिखा सकते हैं, खासकर अगर प्रयोग कम तापमान पर किया जाता है। कई न्यूट्रॉन स्रोत तरल हीलियम शीतलन प्रणालियों से लैस हैं जो 4.2 K तक के तापमान पर डेटा संग्रह की अनुमति देते हैं। शानदार उच्च कोण (यानी उच्च रिज़ॉल्यूशन) सूचना का अर्थ है कि संरचना में परमाणु स्थिति उच्च परिशुद्धता के साथ निर्धारित की जा सकती है। दूसरी ओर, न्यूट्रॉन डेटा से प्राप्त फूरियर नक्शा (और कुछ हद तक अंतर फूरियर मैप्स) श्रृंखला समाप्ति त्रुटियों से ग्रस्त हैं, कभी-कभी इतना अधिक कि परिणाम अर्थहीन होते हैं।

चुंबकीय बिखरने

हालांकि न्यूट्रॉन अनावेशित होते हैं, वे एक चुंबकीय क्षण ले जाते हैं, और इसलिए एक परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन बादल से उत्पन्न होने वाले सहित चुंबकीय क्षणों के साथ बातचीत करते हैं। इसलिए न्यूट्रॉन विवर्तन किसी सामग्री की सूक्ष्म चुंबकीय संरचना को प्रकट कर सकता है।^[4] चुंबकीय प्रकीर्णन के लिए एक परमाणु रूप कारक # चुंबकीय प्रकीर्णन की आवश्यकता होती है क्योंकि यह छोटे नाभिक के चारों ओर बहुत बड़े इलेक्ट्रॉन बादल के कारण होता है। विवर्तन चोटियों में चुंबकीय योगदान की तीव्रता इसलिए उच्च कोणों की ओर घट जाएगी।

उपयोग करता है

न्यूट्रॉन विवर्तन का उपयोग गैसों, तरल पदार्थों या अनाकार ठोस पदार्थों के स्थिर संरचना कारक को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। अधिकांश प्रयोग, हालांकि, क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों की संरचना का लक्ष्य रखते हैं, जिससे न्यूट्रॉन विवर्तन क्रिस्टलोग्राफी का एक महत्वपूर्ण उपकरण बन जाता है।

न्यूट्रॉन विवर्तन बारीकी से एक्स-रे पाउडर विवर्तन से संबंधित है।^[5] वास्तव में, तकनीक का एकल क्रिस्टल संस्करण आमतौर पर कम उपयोग किया जाता है क्योंकि वर्तमान में उपलब्ध न्यूट्रॉन स्रोतों के लिए अपेक्षाकृत बड़े नमूनों की आवश्यकता होती है और अधिकांश सामग्रियों के लिए बड़े एकल क्रिस्टल कठिन या असंभव होते हैं। हालाँकि, भविष्य के विकास इस तस्वीर को अच्छी तरह से बदल सकते हैं। क्योंकि डेटा आमतौर पर एक 1D पाउडर डिफ्रेक्टोग्राम होता है जिसे आमतौर पर Rietveld शोधन का उपयोग करके संसाधित किया जाता है। वास्तव में उत्तरार्द्ध ने न्यूट्रॉन विवर्तन (नीदरलैंड में पेटेन में) में अपना मूल पाया और बाद में एक्स-रे विवर्तन में उपयोग के लिए बढ़ाया गया।

लोचदार न्यूट्रॉन बिखरने/विवर्तन का एक व्यावहारिक अनुप्रयोग यह है कि धातुओं और अन्य क्रिस्टलीय सामग्रियों के जाली स्थिरांक को बहुत सटीक रूप से मापा जा सकता है। एक सटीक रूप से संरेखित माइक्रोपोजिशनर के साथ धातु के माध्यम से जाली स्थिरांक का एक नक्शा प्राप्त किया जा सकता है। इसे सामग्री द्वारा अनुभव किए गए तनाव (भौतिकी) क्षेत्र में आसानी से परिवर्तित किया जा सकता है।^[1]इसका उपयोग केवल दो उदाहरण देने के लिए एयरोस्पेस और ऑटोमोटिव घटकों में तनाव का विश्लेषण करने के लिए किया गया है। उच्च प्रवेश गहराई क्रैंकशाफ्ट, पिस्टन, रेल, गियर जैसे थोक घटकों में अवशिष्ट तनाव को मापने की अनुमति देती है। इस तकनीक ने आईएसआईएस न्यूट्रॉन स्रोत पर नहीं-एक्स उपकरण जैसे समर्पित तनाव डिफ्रेक्टोमीटर के विकास के लिए प्रेरित किया है।

न्यूट्रॉन विवर्तन को 3डी संरचना में अंतर्दृष्टि प्रदान करने के लिए किसी भी सामग्री को अलग करने के लिए नियोजित किया जा सकता है।^[6]^[7] एक अन्य उपयोग इलेक्ट्रोलाइट्स समाधानों में आयन जोड़े के सॉल्वेशन खोल के निर्धारण के लिए है।

सामग्री में चुंबकीय क्षणों को मापने के लिए न्यूट्रॉन विवर्तन तकनीक की स्थापना के बाद से चुंबकीय बिखरने वाले प्रभाव का उपयोग किया गया है, और चुंबकीय द्विध्रुवीय अभिविन्यास और संरचना का अध्ययन किया गया है। न्यूट्रॉन विवर्तन के शुरुआती अनुप्रयोगों में से एक मैंगनीज, लोहा, निकल और कोबाल्ट ऑक्साइड जैसे एंटीफेरोमैग्नेटिज्म संक्रमण धातु ऑक्साइड में चुंबकीय द्विध्रुवीय अभिविन्यास के अध्ययन में था। क्लिफोर्ड शल द्वारा पहली बार किए गए ये प्रयोग, भौतिक संरचना में चुंबकीय द्विध्रुवों की एंटीफेरोमैग्नेटिक व्यवस्था के अस्तित्व को दिखाने वाले पहले थे।^[8] अब, नव विकसित चुंबकीय सामग्री को चिह्नित करने के लिए न्यूट्रॉन विवर्तन का उपयोग जारी है।

हाइड्रोजन, शून्य-प्रकीर्णन और विपरीत भिन्नता

न्यूट्रॉन विवर्तन का उपयोग सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत की तुलना में कम प्रवाह के साथ प्रोटीन और सर्फेक्टेंट जैसी कम परमाणु संख्या सामग्री की संरचना को स्थापित करने के लिए किया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कुछ कम परमाणु संख्या वाली सामग्री में उच्च परमाणु भार सामग्री की तुलना में न्यूट्रॉन इंटरैक्शन के लिए एक उच्च क्रॉस सेक्शन होता है।

एक्स-रे विवर्तन पर न्यूट्रॉन विवर्तन का एक प्रमुख लाभ यह है कि उत्तरार्द्ध एक संरचना में हाइड्रोजन (एच) की उपस्थिति के प्रति असंवेदनशील है, जबकि नाभिक ¹एच और ²H (यानी ड्यूटेरियम, D) न्यूट्रॉन के लिए प्रबल प्रकीर्णक हैं। प्रोटॉन और ड्यूटेरॉन की अधिक प्रकीर्णन शक्ति का अर्थ है कि एक क्रिस्टल में हाइड्रोजन की स्थिति और इसकी तापीय गति न्यूट्रॉन विवर्तन द्वारा अधिक सटीकता के साथ निर्धारित की जा सकती है। धातु हाइड्राइड परिसरों की संरचना, उदाहरण के लिए, मैग्नीशियम आयरन हेक्साहाइड्राइड | Mg₂फेह₆न्यूट्रॉन विवर्तन द्वारा मूल्यांकन किया गया है।^[9] न्यूट्रॉन प्रकीर्णन लंबाई b_H = -3.7406(11) एफएम ^[10] और बी_D = 6.671(4) एफएम,^[10]एच और डी के लिए क्रमशः विपरीत संकेत हैं, जो तकनीक को उन्हें अलग करने की अनुमति देता है। वास्तव में एक विशेष समस्थानिक अनुपात होता है जिसके लिए तत्व का योगदान रद्द हो जाता है, इसे अशक्त-प्रकीर्णन कहा जाता है।

एक नमूने में एच की अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता के साथ काम करना अवांछनीय है। एच-नाभिक द्वारा बिखरने की तीव्रता में एक बड़ा अयोग्य घटक होता है, जो एक बड़ी निरंतर पृष्ठभूमि बनाता है जो बिखरने वाले कोण से कम या ज्यादा स्वतंत्र होता है। यदि नमूना क्रिस्टलीय है तो लोचदार पैटर्न में आमतौर पर तेज ब्रैग प्रतिबिंब होते हैं। वे अयोग्य पृष्ठभूमि में डूब जाते हैं। यह और भी गंभीर है जब तकनीक का उपयोग तरल संरचना के अध्ययन के लिए किया जाता है। फिर भी, विभिन्न आइसोटोप अनुपातों के साथ नमूने तैयार करके, एक अन्यथा जटिल संरचना में एक तत्व को उजागर करने के लिए बिखरने वाले कंट्रास्ट को पर्याप्त रूप से बदलना संभव है। अन्य तत्वों की भिन्नता संभव है लेकिन आमतौर पर महंगी होती है। हाइड्रोजन सस्ता और विशेष रूप से दिलचस्प है, क्योंकि यह जैव रासायनिक संरचनाओं में असाधारण रूप से बड़ी भूमिका निभाता है और अन्य तरीकों से संरचनात्मक रूप से अध्ययन करना मुश्किल है।

इतिहास

पहला न्यूट्रॉन विवर्तन प्रयोग 1945 में ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला में ग्रेफाइट रिएक्टर का उपयोग करके अर्नेस्ट ओ वोलन द्वारा किया गया था। उसके कुछ ही समय बाद (जून 1946) उन्हें ज्वाइन कर लिया गया।^[11] क्लिफर्ड ग्लेनवुड शल द्वारा, और साथ में उन्होंने तकनीक के बुनियादी सिद्धांतों की स्थापना की, और बर्फ की संरचना और सामग्री में चुंबकीय क्षणों की सूक्ष्म व्यवस्था जैसी समस्याओं को संबोधित करते हुए इसे कई अलग-अलग सामग्रियों पर सफलतापूर्वक लागू किया। इस उपलब्धि के लिए, शुल को 1994 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार के आधे हिस्से से सम्मानित किया गया था। (1984 में वोलन की मृत्यु हो गई)। (भौतिकी के लिए 1994 के नोबेल पुरस्कार का दूसरा आधा हिस्सा बर्ट्रम ब्रॉकहाउस को कनाडा की परमाणु ऊर्जा की चाक नदी प्रयोगशालाओं में अप्रत्यास्थ प्रकीर्णन तकनीक के विकास के लिए गया। इसमें ट्रिपल एक्सिस स्पेक्ट्रोमीटर का आविष्कार भी शामिल था)। प्राप्त कार्य (1946) और ब्रॉकहाउस और शल (1994) को दिए गए नोबेल पुरस्कार के बीच की देरी उन्हें इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (1933) के अर्नेस्ट रसा द्वारा आविष्कार के बीच की देरी के करीब लाती है - कण प्रकाशिकी के क्षेत्र में भी - और उनका अपना नोबेल पुरस्कार (1986)। बदले में यह पीटन रौस की खोजों और 1966 में नोबेल पुरस्कार के उनके पुरस्कार के बीच 55 वर्षों के रिकॉर्ड के करीब है।

यह भी देखें

क्रिस्टलोग्राफी
क्रिस्टलोग्राफिक डेटाबेस
इलेक्ट्रॉन विवर्तन
अप्रत्यास्थ न्यूट्रॉन प्रकीर्णन

संदर्भ

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अग्रिम पठन

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Lovesey, S. W. (1984). Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter; Volume 2: Condensed Matter. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-852017-4.
Squires, G.L. (1996). Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering (2nd ed.). Mineola, New York: Dover Publications Inc. ISBN 0-486-69447-X.

Young, R.A., ed. (1993). The Rietveld Method. Oxford: Oxford University Press & International Union of Crystallography. ISBN 0-19-855577-6.

बाहरी संबंध

National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research
From Bragg’s law to neutron diffraction
Integrated Infrastructure Initiative for Neutron Scattering and Muon Spectroscopy (NMI3) - a European consortium of 18 partner organisations from 12 countries, including all major facilities in the fields of neutron scattering and muon spectroscopy
Frank Laboratory of Neutron Physics of Joint Institute for Nuclear Research (JINR)
IAEA neutron beam instrument database

[iaea-1] 1.0 ^1.1 ^1.2 Measurement of residual stress in materials using neutrons, IAEA, 2003

[2] Hadden, Elhoucine; Iso, Yuko; Kume, Atsushi; Umemoto, Koichi; Jenke, Tobias; Fally, Martin; Klepp, Jürgen; Tomita, Yasuo (2022-05-24). McLeod, Robert R; Tomita, Yasuo; Sheridan, John T; Pascual Villalobos, Inmaculada (eds.). "Nanodiamond-based nanoparticle-polymer composite gratings with extremely large neutron refractive index modulation". Photosensitive Materials and Their Applications II. SPIE. 12151: 70–76. Bibcode:2022SPIE12151E..09H. doi:10.1117/12.2623661. ISBN 9781510651784. S2CID 249056691.

[Picc-3] 3.0 ^3.1 Paula M. B. Piccoli, Thomas F. Koetzle, Arthur J. Schultz "Single Crystal Neutron Diffraction for the Inorganic Chemist—A Practical Guide" Comments on Inorganic Chemistry 2007, Volume 28, 3-38. doi:10.1080/02603590701394741

[4] Neutron diffraction of magnetic materials / Yu. A. Izyumov, V.E. Naish, and R.P. Ozerov ; translated from Russian by Joachim Büchner. New York : Consultants Bureau, c1991.ISBN 0-306-11030-X

[5] Neutron powder diffraction by Richard M. Ibberson and William I.F. David, Chapter 5 of Structure determination form powder diffraction data IUCr monographphs on crystallography, Oxford scientific publications 2002, ISBN 0-19-850091-2

[ojeda-6] Ojeda-May, P.; Terrones, M.; Terrones, H.; Hoffman, D.; et al. (2007), "Determination of chiralities of single-walled carbon nanotubes by neutron powder diffraction technique", Diamond and Related Materials, 16 (3): 473–476, Bibcode:2007DRM....16..473O, doi:10.1016/j.diamond.2006.09.019

[page-7] Page, K.; Proffen, T.; Niederberger, M.; Seshadri, R. (2010), "Probing Local Dipoles and Ligand Structure in BaTiO3 Nanoparticles", Chemistry of Materials, 22 (15): 4386–4391, doi:10.1021/cm100440p

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[9] Robert Bau, Mary H. Drabnis "Structures of transition metal hydrides determined by neutron diffraction" Inorganica Chimica Acta 1997, vol. 259, pp/ 27-50. doi:10.1016/S0020-1693(97)89125-6

[Sears-10] 10.0 ^10.1 Sears, V. F. (1992), "Neutron scattering lengths and cross sections", Neutron News, 3 (3): 26–37, doi:10.1080/10448639208218770

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