A neutron klcsnhatsai rugalmas s rugalmatlan szrds Neutron

A neutron kölcsönhatásai: rugalmas és rugalmatlan szóródás Neutron diffrakció Fábián Margit fabian. margit@energia. mta. hu

Miért fontos ismerni az anyag szerkezetét? Tulajdonságok - az anyagok jellegét, minőségét meghatározó, megkülönböztető vonás - kémiai - fizikai - termikus - technológiai jellemzés - mechanikai optimalizálás felhasználás szén acél+aluminiumötvözet

- szilárd anyagok – kristályos vagy amorf - rendezett Az elemi cella alapján a kristályok 7 kristályrendszerbe sorolhatók. - 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=2 dhklsinƟhkl (n egész szám, dhkl a rácsállandó, Ɵhkl 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?

Honnan van neutron? Maghasadás Spallációs neutron forrás Fissziós reaktor Budapesti 10 MW Kutatóreaktor Oak Ridge-i spallációs neutron forrás

Neutrondiffrakciós berendezések pl. Saclay-i kutatóreaktor budapesti 10 MW-os kutatóreaktornál 7 C 2 NPDF PSD =1. 07 Å Q=0. 45 -10 Å-1 Los Alamos-i impulzusneutronforrás =0. 726 Å Q=0. 52 -18 Å-1 =0. 17 -4. 2 Å Q=0. 9 -40 Å-1 HIPPO =0. 15 -4 Å Q=0. 7 -35 Å-1

PSD neutron diffraktométer jellemzői Cu(111) monokromátor = 1. 069 Å 2 = 8 -115°; Q=0. 45 -10 Å-1 Q=4 sinΘ/ Minta: 2 -4 g szükséges Mérési idő: 12 -24 h Mintatartó: vanádium, Ø: 5&8 mm 3 db. He-3 lineáris helyzetérzékeny detektor (60 cm)

…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 3 D konfigurációjának felépítése • az illesztés megkötései: az atomi sűrűség, két atom közötti legkisebb távolság (cut-off), koordinációs kényszer χ2 new< χ2 old exp(-(χ2 new- χ2 old)/2) gij(r) parciális atomi párkorrelációs függv. Sij(Q) parciális szerkezeti függv. S(Q) szerkezeti függv.

Amorf összetételek optimalizálása radioaktív hulladékok kondicionálására A többkomponensű nátriumboroszilikát üvegek alkalmasak a nagy aktivitású hulladékok befogadására CÉL Magas urán koncentrációjú boroszilikát üvegek előállítása és szerkezetvizsgálata. Rövidtávú rend meghatározása: távolságok, koordinációs számok. Beépülésre válaszok…

Vizsgált mintáink előnyei: Ø termikus-kémiai stabilitás Ø savas-bázikus közegben nem oldódnak Ø jól tűrik a sugárzást és abszorbeálják Ø gazdaságos előállítás Si. O 2 és B 2 O 3+ Na 2 O üvegalkotó oxid Si. O 2 -Na 2 O stabilizáló oxid mátrix B 2 O 3 -Na 2 O Si. O 2 -B 2 O 3 -Na 2 O+Ba. O+Zr. O 2 módosító oxid Si. O 2 -B 2 O 3 -Na 2 O-Ba. O-Zr. O 2 +30 s%UO 3 70 s%[Si. O 2 -B 2 O 3 -Na 2 O-Ba. O-Zr. O 2]+30 s%UO 3 Max. befogadóképesség: 40%UO 3

Öt-komponensű összetételek RMC modellezéssel illesztett szerkezeti függvény a Si. O 2(65 -x)-B 2 O 3(x)-Na 2 O(25%)-Ba. O(5%)-Zr. O 2(5%) x=5 -10 -15 mol% mátrix üvegre Alkalmazott kényszerek: - sűrűség - cut-off távolságok -koordinációs kényszer: Si PSD NPDF

Öt-komponensű összetételek Si-O & B-O parciális párkorrelációs függvények a B 5 -B 10 -B 15 mintákra, RMC szimulációval számolva

Öt-komponensű összetételek Si B O [3]B és [4]B koordinációjú B atomok; vegyes trigonális és tetraéderes [3]B-O-Si és [4]B-O-Si környezetek alakulnak ki az alapszerkezetben

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták 70 s%[Si. O 2(65 -x)-B 2 O 3(x)-Na 2 O(25%)-Ba. O(5%)-Zr. O 2(5%)]+30 s%UO 3 x=5 -10 -15 -20% Q-függő f(Q) atomi szórási amplitúdó, XRD esetén Súlyfaktor, wij (%) UB 10 ND XD Q=1. 02Å-1 Si-O B-O 14. 03 9. 33 7. 50 0. 46 O-O Na-O Zr-O U-Na U-Si 40. 78 10. 81 4. 13 6. 20 0. 82 1. 06 7. 80 4. 69 5. 59 17. 66 4. 48 8. 57

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták Neutron- és röntgendiffrakciós mérések a B 10 és UB 10 mintákra Teljes radiális eloszlásfüggvény Interferenciafüggvény FT 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 Si. B(5 -10 -15 -20)Na. Ba. Zr. UO sorozatra Kényszerek: - sűrűség - cut-off távolságok - koordinációs kényszerek: Si, B PSD - ND BW 5 - XD

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták Parciális párkorrelációs függvények és a koordinációs számeloszlás: UB 5 -UB 10 -UB 15 -UB 20 Si B O

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták UB 5 -UB 10 -UB 15 -UB 20 sorozatra az U-O parciális párkorrelációs függvény U-O 1: 1. 8 U-O 2: 3. 6 átlag. U-O: 5. 4

Hat-komponensű összetételek/ Urán-tartalmú minták Másodszomszéd távolságok az UB 5 -10 -15 -20 üvegsorozatra

Összefoglalás 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. A bemutatott munka eredményeként, diffrakciós mérésekből sikerül rávilágítani arra, hogy az újonnan előállított: ü mátrixüveg tetraéderes Si. O 4 és vegyes trigonális és tetraéderes BO 3 és BO 4 egységekből épül fel ü az U atom beépül az üvegszerkezetbe és stabilizálja azt ü 30 s% UO 3 képes stabilan beépülni a mátrix-összetételbe ü 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 ü az urán beépülés nem változtatják meg a mátrix-összetétel alapszerkezetét

Köszönöm a figyelmet!