Neutrony ve službách materiálového výzkumu Laboratoř

Neutrony ve službách materiálového výzkumu Laboratoř

01 2007 PRAŽSKÁ TECHNIKA
fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská
Neutrony ve službách materiálového výzkumu
Laboratoř katedry inženýrství pevných látek FJFI
První experimenty s difrakcí neutronů jsou datovány rokem 1936. Tehdy
se podařilo prokázat, že neutrony emitované zdrojem Ra-Be a vrstvou parafinu moderované na tepelné se při interakci s atomy monokrystalu MgO
rozptylují podobně jako rentgenové
záření. O prakticky použitelných metodách difrakce neutronů lze však
hovořit teprve po roce 1945, resp. po
výstavbě výzkumných jaderných
reaktorů, které umožnily získat dostatečně intenzivní svazky neutronů.
V současné době je neutronový rozptyl využíván ke studiu vlastností
krystalických pevných látek v řadě
významných světových výzkumných center, a to jak v USA (Argonská,
Brookhavenská, Los Alamoská národní laboratoř), tak ve Velké Británii
(Harwell, Rutherfordská laboratoř),
Francii (Institut Max von Laue, Paul
Langevin, Centre National de la Recherche Scietifique) i Rusku (Spojený
ústav jaderných výzkumů).
U nás se stala neutronová difrakce
důležitým nástrojem materiálového
výzkumu od roku 1966. Difraktometr
instalovaný u horizontálního kanálu
jaderného reaktoru LVR-15 v Řeži
u Prahy byl do plného provozu uveden v roce 1968 a od té doby slouží
pracovníkům laboratoře neutronové
difrakce katedry inženýrství pevných
látek FJFI ČVUT i studentům k řešení
vědecko-výzkumných úkolů.
Neutronografické pracoviště FJFI
má dlouhodobou spolupráci s řadou
domácích i zahraničních institucí.
Patří k nim např. Ústav jaderného
výzkumu, a. s., v Řeži, ústavy AV ČR,
v.v.i. (Fyzikální ústav, Ústav jaderné
fyziky, Ústav fyzikální chemie JH),
Spojený ústav jaderných výzkumů
v Dubně, Institut Laue-Langevina
nebo Institut for Atomenergy v Kjelleru (Norsko) apod.
Proč jsou neutrony vhodné k difrakční diagnostice krystalických látek
1) Vlnové délky tepelných neutronů
(energii 0,075 eV odpovídá hodnota cca 0,1 nm) jsou souměřitelné
s meziatomovými vzdálenostmi
v krystalech.
2) Na rozdíl od rentgenového nebo
elektronového záření se vyznačují
snadnou pronikavostí do většiny
materiálů. Tato vlastnost činí neutrony sice necitlivými na povrchové
vrstvy, zároveň však umožňuje
nedestruktivní analýzu vnitřních
oblastí rozměrných objektů. Porovnání pronikavosti tepelných
neutronů a rentgenového záření
(T vrstva – tzv. polovrstva, která
zeslabí intenzitu svazku na 50 %)
pro vybranou skupinou materiálů
je v tabulce 1.
3) Jako nerelativistické částice vykazující vlnově-částicový dualismus
jsou tepelné neutrony ideálním
prostředkem pro experimentální
ověřování základních poznatků
kvantové mechaniky.
4) Amplituda rozptylu neutronů není
monotonní funkcí hmotového čísla. To umožňuje lokalizaci atomů
lehkých prvků nebo distribuci atomů prvků, které spolu v periodické
tabulce sousedí.
Tabulka 1.
Tepelné neutrony
Rentgenové záření
T (mm)
T (μm)
Al
69,3
52,9
Materiál
(34)
Ti
15,4
7,39
Fe
6,19
2,86
Ni
3,73
17,0
W
6,60
2,09
5) Protože neutronový rozptyl má
i magnetickou složku (vznikající jako důsledek vzájemného působení
magnetických momentů neutronů
a magnetických iontů přítomných
v krystalové mřížce), je možné
touto metodikou studovat magnetické struktury i jejich transformace
v závislosti na teplotě, magnetickém poli i složení vzorků.
6) Vzhledem k tomu, že tepelné neutrony mají ve srovnání s rentgenovými paprsky stejných vlnových
délek pro většinu materiálů cca
103krát nižší lineární absorpční
koeficienty a řádově 10–5krát nižší energii, dochází při difrakční
analýze organických vzorků k podstatně menšímu radiačnímu poškození.
Jaké jsou hlavní aplikační oblasti
neutronové difrakce
● Lokalizace poloh atomů lehkých
prvků (vodík, deuterium, kyslík) při
určování struktury krystalických
látek.
● Určování strukturních charakteristik vzorků obsahujících atomy
prvků sousedících v periodické
soustavě.
● Výzkum uspořádání magnetických
materiálů a parametrů magnetických transformací.
● Studie využívající nepružný rozptyl neutronů pro výzkum kmitů
krystalové mřížky včetně určování
charakteristik magnetických spinových vln.
● Výzkum vlastností technických
materiálů: texturní analýza, měření
zbytkových napětí, fázová analýza, studium kinetiky rekrystalizačních procesů nebo chemických
reakcí.
● Analýza spekter neutronových
zdrojů a měření účinných průřezů
pro neutrony v oblasti energií od
10-2 eV do 10 eV.
● Nedestruktivní výzkum závislosti
fyzikálních veličin na hloubce pod
povrchem. Tento způsob měření je
01 2007 PRAŽSKÁ TECHNIKA
spojen s využitím změny průřezu
iontové vodiče, magnetické mastitucemi kationtů nebo řízením
teriály a vysokoteplotní supravomonochromatického svazku neuobsahu kyslíku, bylo předmětem
tronů (vymezení pomocí Cd clon
diče.
výzkumu vzorků supravodiče typu
Bi-Sr-Ca-Cu-O určení modulované
– tzv. pencil beam); typické rozměry ● Při výzkumu zeolitů byla upřesvycloněného objemu jsou např.
něna struktura (lokalizovány postruktury, tj. stanovení jejích paralohy vodíku a stanovena distrimetrů a ověření stability do teplot
1 × 1 × 3 mm3.
● Při nichž je možno sledovat např.
buce kationtů) řady syntetických
1000 K.
rekrystalizační procesy nebo kinevzorků typu NaY, NaY-H, NaX, ● Kvantitativní texturní analýza
tiku chemických reakcí v reálném
NaX-CH3 (resp. CD3) a NaLSX. Urpomocí třídimenzionální orienčení vazeb vodíku k základnímu
čase. Pomocná zařízení pro vytvotačně-distribuční funkce (ODF)
ření žádaných podmínek při měřestrukturnímu skeletu má zásadní
je výchozím předpokladem pro
ních „in situ“ nebo průmyslových
význam pro objasnění sorpčních
studium korelace mezi texturním
aplikacích, v nichž se vzorek běa katalytických vlastností těchto
uspořádáním a směrovou anizotrohem experimentu nachází (chemicmateriálů, využívaných předepií některých fyzikálních vlastností,
vším v průmyslové chemii jako
ké autoklávy, pícky, kryostaty či
např. elasticity, plasticity nebo
molekulární síta a katalyzátory.
magnety nebo tlakové komory), nemagnetické anizotropie. Získané
Z přírodních zeolitů byl zkoumán
jsou pro neutronové svazky nijak
výsledky jsou využívány jak při
podstatnou překážkou.
kaersutit.
testování výrobních postupů, tak
● Tzv. maloúhlový rozptyl neutronů, ● Výzkum magnetického uspořáv teorii textur a jejich modelování.
který umožňuje získat informace
dání (stanovení polohy, velikosti
Výsledky výzkumu textur orientoo objektech s rozměry od cca 1 až do
a směru magnetických momentů
vaných transformátorových plechů
v krystalové mřížce) a jeho trans100 nm, lze využít k určování nehoa kinetiky rekrystalizačních proformace v závislosti na teplotě
mogenit nebo porosity uvnitř objecesů umožnily testovat různé
a složení u feritů, chromitů, hexamu zkoumaných součástí. Široké
technologické postupy přípravy
uplatnění získal v metalurgii, bioloferitů a perovskitů typu Pr-Ca-Mntransformátorových plechů s cíO a Pr-Sr-Mn-O.
gii, petrochemii i průmyslu stalem najít souvislost mezi texturou
● Výzkum vysokoteplotních supraa magnetickými vlastnostmi.
vebnin.
vodičů typu Y-Ba-Cu-O a Bi-Sr-Ca- ● Další rozsáhlý neutronografický
Výzkumná i pedagogická probleCu-O. Získané poznatky přispěly
výzkum přednostní orientace se
matika neutronografické laborak určení poloh kyslíku v těchto
týkal slitin na bázi zirkonia (matetoře FJFI
sloučeninách a tím i k charakteriály používané jako materiál pro
● Strukturní analýza a magnetické
ristice vazeb měď-kyslík. Protože
pokrytí palivových elementů jamateriály s novými supravodivými
uspořádání technicky perspektivderných reaktorů). Bylo sledováno,
jaký vliv má tepelné a mechanické
ních materiálů jako jsou zeolity,
vlastnostmi lze připravovat sub-
Neutronový difraktometr KSN-2
Schéma difraktometru KSN – 2
(35)
01 2007 PRAŽSKÁ TECHNIKA
u Prahy. Difraktometr je doplněn ● odporovou píckou do teplot
řadou přídavných zařízení, např.
1000 K.
● kryostatem s uzavřeným helio- ● texturním goniometrem TG-1 s auK základnímu experimentálnímu
vým okruhem typu CP-62-ST/5
tomatickým snímáním dat.
vybavení neutronografické laboratoře
(pro teploty od 8 K, regulace tepFJFI patří difraktometr KSN-2 s moloty s přesností 0.1 K, maximální
prof. Ing. Stanislav Vratislav, CSc.
rozměr vzorků (průměr 12 mm,
nochromátorem lokalizovaným u ústí
katedra inženýrství pevných látek
výška 38 mm ).
kanálu HK-2 reaktoru LVR-15 v Řeži
FJFI ČVUT
zpracování těchto zirkoniových
materiálů na korozi a pevnost.
fakulta dopravní
Vedení Dopravní fakulty ČVUT na návštěvě ČSA a. s.
Dnes už je to možná jiné; možná,
že idolem dívčích srdcí není romantický hrdina bojující s živly, či statečný záchranář. Dost možná ani kapitán letadla v oprýmkované uniformě
neobstojí v konkurenci se šíbrem v kůži vypolstrovaném offroadu. Přesto
mnoho mladých mužů stále touží po
romantice letecké profese, a tak před
Dopravní fakultou stojí zástupy mladých uchazečů, kteří by si chtěli realizovat své klukovské sny. Někteří
dokonce jsou i přijati, a tak jim začne
studentská vysokoškolská řehole.
Opravdu řehole, protože na rozdíl
od ostatních studijních oborů mají
povinnou docházku s přísnou evidencí a průběžnou kontrolou znalostí všelijakých teorií, jak to ostatně
vyžaduje letecký úřad.
Ale šedivá je teorie a zelený strom
života. I nejdokonalejší znalost teorie
broušení rubínových hrotů pro letecké přístroje nemůže dát představu,
jak a co přesně indikují, ba co víc,
udělat si polohovou představu. Toho
lze dosáhnou jedině za letu. Bohužel
za skutečného letu se ovšem přidružují jisté psychické blokády snižující
schopnost chápání a myšlení, přičemž
jejich odbourání vyžaduje mnoho
a mnoho hodin letové praxe. Zdá se,
že nejlepším řešením problému je počítačová simulace letu. Tu však zatím
na Dopravní fakultě nelze zajistit,
a tak byla tato část výuky v souladu
s Rámcovou smlouvou o spolupráci
zajištěna ve Výcvikovém centru ČSA
a. s.
V pondělí 20. listopadu dopoledne
byla spolupráce slavnostně zahájena.
Letový viceprezident ČSA pan Janík
(36)
přivítal vedení fakulty, tedy pana letadel B-737, ATR a prohlídka připraděkana Moose, proděkany Kalikovou vovaného simulátoru A-320. Kapitáni
a Skurovce a vedoucí kateder. Pan ČSA Jalovecký a Stavovčík, kteří jsou
kapitán Kvapil, který má obrovskou zároveň akademickými pracovníky
zásluhu na vzniku tohoto nádher- FD ČVUT připravili pro vysokoškolného výcvikového zařízení ČSA, ve ské učitele realizaci příběhu o otrásvé prezentaci seznámil akademické vené rybě dle světoznámého románu
pracovníky se svým pracovištěm Artura Haleyho na letounu ATR, a pan
a možnostmi budoucí spolupráce. capt. Kvapil s nimi v letadle B 737 létal
S činností katedry letecké dopravy na exotických letištích. Jak se zdá, dle
Dopravní fakulty ČVUT seznámil pří- pozdějších ohlasů, se to všem líbilo.
tomné pan Ing. Stavovčík. Na závěr Nejpodstatnější však je, že akce proděkan pan prof. Ing. Petr Moos, CSc., spěje dobré věci, tj. osobním kontakocenil avantgardní přístup ČSA k vy- tům, ale zejména výuce budoucích
sokým školám a přislíbil našemu vlaj- profesionálních pilotů.
kovému dopravci jakoukoliv pomoc,
která bude v silách technické univerzity.
Mgr. Pavel Bíla
Poté následovala prohlídka Výcvikového centra, předvedení simulátorů
Fakulta dopravní
Proděkani před vzletem z dráhy 24