न्यूट्रॉन प्रकीर्णन

न्यूट्रॉन स्कैटरिंग, पदार्थ द्वारा मुक्त न्यूट्रॉन का अनियमित फैलाव, या तो स्वाभाविक रूप से होने वाली भौतिक प्रक्रिया या मानव निर्मित प्रायोगिक तकनीकों को संदर्भित कर सकता है जो सामग्री की जांच के लिए प्राकृतिक प्रक्रिया का उपयोग करती हैं। परमाणु इंजीनियरिंग और परमाणु विज्ञान में प्राकृतिक/भौतिक घटना का मौलिक महत्व है। प्रयोगात्मक तकनीक के संबंध में, न्यूट्रॉन स्कैटरिंग को समझना और हेरफेर करना क्रिस्टलोग्राफी, भौतिकी, भौतिक विज्ञान विज्ञान, जीव पदाथ-विद्य  और सामग्री अनुसंधान में उपयोग किए जाने वाले अनुप्रयोगों के लिए मौलिक है।

न्यूट्रॉन प्रकीर्णन अनुसंधान रिएक्टर और स्पेलेशन न्यूट्रॉन स्रोतों पर अभ्यास किया जाता है जो न्यूट्रॉन प्रवाह  के विभिन्न न्यूट्रॉन विकिरण प्रदान करते हैं। संरचनाओं के विश्लेषण के लिए न्यूट्रॉन विवर्तन (लोचदार बिखरने) तकनीकों का उपयोग किया जाता है; जहां परमाणु फोनन और अन्य उत्तेजित अवस्था का अध्ययन करने के लिए इनलेस्टिक न्यूट्रॉन स्कैटरिंग का उपयोग किया जाता है।

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तीव्र न्यूट्रॉन का प्रकीर्णन
तेज़ न्यूट्रॉन (न्यूट्रॉन तापमान देखें) की गतिज ऊर्जा 1 इलेक्ट्रॉनवोल्ट से ऊपर होती है। वे संघनित पदार्थ द्वारा बिखरे जा सकते हैं—नाभिक जिनकी गतिज ऊर्जा 1 eV से बहुत नीचे है—एक स्थिर कण के साथ लोचदार टक्कर के एक वैध प्रयोगात्मक सन्निकटन के रूप में होता है। प्रत्येक टक्कर के साथ, तेज न्यूट्रॉन अपनी गतिज ऊर्जा का महत्वपूर्ण हिस्सा बिखरने वाले नाभिक (संघनित पदार्थ) में स्थानांतरित करता है, जितना अधिक हल्का नाभिक। और प्रत्येक टक्कर के साथ, तेज़ न्यूट्रॉन तब तक धीमा हो जाता है जब तक कि वह उस सामग्री के साथ थर्मल संतुलन तक नहीं पहुँच जाता जिसमें वह बिखरा हुआ है।

न्यूट्रॉन मॉडरेटर का उपयोग तापीय न्यूट्रॉन उत्पन्न करने के लिए किया जाता है, जिनकी गतिज ऊर्जा 1 eV (T <500K) से कम होती है। थर्मल न्यूट्रॉन का उपयोग परमाणु रिएक्टर में परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए किया जाता है, और न्यूट्रॉन स्कैटरिंग प्रयोगों और न्यूट्रॉन विज्ञान के अन्य अनुप्रयोगों में शोध उपकरण के रूप में (नीचे देखें)। इस लेख का शेष भाग थर्मल न्यूट्रॉन के प्रकीर्णन पर केंद्रित है।

न्यूट्रॉन-पदार्थ परस्पर क्रिया
क्योंकि न्यूट्रॉन विद्युत रूप से तटस्थ होते हैं, वे तुलनीय गतिज ऊर्जा के विद्युत आवेशित कणों की तुलना में पदार्थ में अधिक गहराई से प्रवेश करते हैं, और इस प्रकार थोक गुणों की जांच के रूप में मूल्यवान होते हैं।

न्यूट्रॉन परमाणु नाभिक के साथ और अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों से चुंबकीय क्षेत्र के साथ बातचीत करते हैं, जिससे स्पष्ट हस्तक्षेप (तरंग प्रसार) और न्यूट्रॉन प्रकीर्णन प्रयोगों में ऊर्जा हस्तांतरण प्रभाव होता है। समान तरंग दैर्ध्य वाले एक्स-रे फोटॉन के विपरीत, जो परमाणु नाभिक के आसपास के इलेक्ट्रॉन बादल के साथ संपर्क करता है, न्यूट्रॉन मुख्य रूप से स्वयं नाभिक के साथ बातचीत करते हैं, जैसा कि फर्मी के स्यूडोपोटेन्शियल द्वारा वर्णित है। न्यूट्रॉन बिखरने और अवशोषण न्यूट्रॉन क्रॉस-सेक्शन आइसोटोप से आइसोटोप तक व्यापक रूप से भिन्न होते हैं।

आइसोटोप के आधार पर न्यूट्रॉन स्कैटरिंग असंगत या सुसंगत हो सकता है। सभी समस्थानिकों में हाइड्रोजन का प्रकीर्णन सबसे अधिक होता है। न्यूट्रॉन प्रकीर्णन में कार्बन और ऑक्सीजन जैसे महत्वपूर्ण तत्व काफी दिखाई देते हैं - यह एक्स-रे प्रकीर्णन के विपरीत है जहां क्रॉस सेक्शन व्यवस्थित रूप से परमाणु संख्या के साथ बढ़ते हैं। इस प्रकार न्यूट्रॉन का उपयोग प्रोटीन और सर्फेक्टेंट सहित कम परमाणु संख्या वाली सामग्री का विश्लेषण करने के लिए किया जा सकता है। यह सिंक्रोट्रॉन स्रोतों पर किया जा सकता है लेकिन बहुत अधिक तीव्रता की आवश्यकता होती है, जिससे संरचनाएं बदल सकती हैं। न्यूक्लियस एक बहुत ही कम रेंज प्रदान करता है, क्योंकि आइसोटोपिक क्षमता आइसोटोप से आइसोटोप तक यादृच्छिक रूप से भिन्न होती है, जो प्रयोग के अनुरूप (स्कैटरिंग) कंट्रास्ट को ट्यून करना संभव बनाती है।

बिखराव लगभग हमेशा लोचदार और अयोग्य दोनों घटकों को प्रस्तुत करता है। लोचदार बिखरने का अंश डेबी-वॉलर कारक या मोसबाउर-लैम्ब कारक द्वारा निर्धारित किया जाता है। अनुसंधान प्रश्न के आधार पर, अधिकांश माप या तो लोचदार या अयोग्य बिखरने पर ध्यान केंद्रित करते हैं।

एक न्यूट्रॉन बीम का सटीक वेग, यानी एक सटीक ऊर्जा और डी ब्रोगली वेवलेंथ प्राप्त करना महत्वपूर्ण है। इस तरह की एकल-ऊर्जा बीम को 'मोनोक्रोमैटिक' कहा जाता है, और मोनोक्रोमैटिकिटी या तो क्रिस्टल मोनोक्रोमेटर के साथ या उड़ान के समय के साथ प्राप्त की जाती है। उड़ान का समय (टीओएफ) स्पेक्ट्रोमीटर। उड़ान के समय की तकनीक में, न्यूट्रॉन को दो घूर्णन स्लिट्स के अनुक्रम के माध्यम से भेजा जाता है जैसे कि केवल एक विशेष वेग के न्यूट्रॉन का चयन किया जाता है। स्पैलेशन स्रोत विकसित किए गए हैं जो न्यूट्रॉन की तीव्र स्पंदन पैदा कर सकते हैं। स्पंद में कई अलग-अलग वेगों या डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य के न्यूट्रॉन होते हैं, लेकिन नमूने और न्यूट्रॉन डिटेक्टर के बीच न्यूट्रॉन की उड़ान के समय को मापकर बिखरे हुए न्यूट्रॉन के अलग-अलग वेगों को बाद में निर्धारित किया जा सकता है।

चुंबकीय बिखरने
न्यूट्रॉन का शुद्ध विद्युत आवेश शून्य होता है, लेकिन इसमें एक महत्वपूर्ण न्यूक्लियॉन चुंबकीय क्षण होता है, हालांकि इलेक्ट्रॉन का लगभग 0.1% ही होता है। फिर भी, यह संघनित पदार्थ के अंदर स्थानीय चुंबकीय क्षेत्रों से बिखरने के लिए काफी बड़ा है, जो कमजोर अंतःक्रिया प्रदान करता है और इसलिए आदेशित चुंबकीय संरचनाओं और इलेक्ट्रॉन स्पिन उतार-चढ़ाव की मर्मज्ञ जांच करता है।

इनलेस्टिक न्यूट्रॉन स्कैटरिंग
बेलोचदार न्यूट्रॉन प्रकीर्णन एक प्रायोगिक तकनीक है जिसका उपयोग आमतौर पर परमाणु और आणविक गति के साथ-साथ चुंबकीय और क्रिस्टल क्षेत्र उत्तेजनाओं का अध्ययन करने के लिए संघनित पदार्थ भौतिकी में किया जाता है। यह गतिज ऊर्जा में परिवर्तन को हल करके अन्य न्यूट्रॉन प्रकीर्णन तकनीकों से खुद को अलग करता है जो तब होता है जब न्यूट्रॉन और नमूने के बीच टकराव अयोग्य होता है। परिणाम आम तौर पर गतिशील संरचना कारक के रूप में संप्रेषित होते हैं (जिसे इनलेस्टिक स्कैटरिंग लॉ भी कहा जाता है) $$S(\mathbf{Q},\omega)$$, कभी-कभी गतिशील संवेदनशीलता के रूप में भी $$ \chi^{\prime \prime}(\mathbf{Q},\omega)$$ जहां बिखरने वाला वेक्टर $$\mathbf{Q}$$ इनकमिंग और आउटगोइंग  लहर वेक्टर  के बीच का अंतर है, और$$\hbar \omega$$नमूना द्वारा अनुभव किया गया ऊर्जा परिवर्तन है (बिखरे हुए न्यूट्रॉन का ऋणात्मक)। जब परिणाम के कार्य के रूप में प्लॉट किए जाते हैं $$\omega$$, उन्हें अक्सर पारंपरिक स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीकों द्वारा प्राप्त स्पेक्ट्रा के समान ही व्याख्या की जा सकती है; जहाँ तक अप्रत्यास्थ न्यूट्रॉन प्रकीर्णन को एक विशेष स्पेक्ट्रोस्कोपी के रूप में देखा जा सकता है।

बेलोचदार प्रकीर्णन प्रयोगों में आम तौर पर घटना या आउटगोइंग बीम के एकवर्णीकरण और बिखरे हुए न्यूट्रॉन के ऊर्जा विश्लेषण की आवश्यकता होती है। यह समय-की-उड़ान तकनीक (उड़ान के समय न्यूट्रॉन का प्रकीर्णन) या एकल क्रिस्टल (न्यूट्रॉन ट्रिपल-एक्सिस स्पेक्ट्रोस्कोपी, न्यूट्रॉन बैकस्कैटरिंग) से ब्रैग प्रतिबिंब के माध्यम से किया जा सकता है। इको तकनीक (न्यूट्रॉन स्पिन गूंज, न्यूट्रॉन अनुनाद स्पिन गूंज) में मोनोक्रोमैटाइजेशन की आवश्यकता नहीं होती है, जो न्यूट्रॉन के क्वांटम यांत्रिक चरण (तरंगों) का उपयोग उनके आयामों के अतिरिक्त करते हैं।

इतिहास
1930 के दशक में पहला न्यूट्रॉन विवर्तन प्रयोग किया गया था। हालांकि 1945 के आस-पास, परमाणु रिएक्टरों के आगमन के साथ, उच्च न्यूट्रॉन प्रवाह संभव हो गया, जिससे गहराई से संरचना की जांच की संभावना बढ़ गई। बहुउद्देश्यीय अनुसंधान रिएक्टरों में बीम ट्यूबों में पहले न्यूट्रॉन-प्रकीर्णन उपकरण स्थापित किए गए थे। 1960 के दशक में, उच्च-प्रवाह रिएक्टरों का निर्माण किया गया था जिन्हें बीम-ट्यूब प्रयोगों के लिए अनुकूलित किया गया था। विकास संस्थान लाउ-लैंगविन (1972 से संचालन में) के उच्च-प्रवाह रिएक्टर में समाप्त हुआ जिसने इस तिथि तक उच्चतम न्यूट्रॉन प्रवाह प्राप्त किया। कुछ उच्च-प्रवाह स्रोतों के अलावा, विश्वविद्यालयों और अन्य शोध संस्थानों में लगभग बीस मध्यम-प्रवाह रिएक्टर स्रोत थे। 1980 के दशक की शुरुआत में, इनमें से कई मध्यम-प्रवाह स्रोत बंद कर दिए गए थे, और अनुसंधान कुछ विश्व-अग्रणी उच्च-प्रवाह स्रोतों पर केंद्रित था।

सुविधाएं
आज, अधिकांश न्यूट्रॉन प्रकीर्णन प्रयोग अनुसंधान वैज्ञानिकों द्वारा किए जाते हैं जो एक औपचारिक प्रस्ताव प्रक्रिया के माध्यम से न्यूट्रॉन स्रोतों पर बीमटाइम के लिए आवेदन करते हैं। न्यूट्रॉन प्रकीर्णन प्रयोगों में शामिल कम गणना दरों के कारण, अपेक्षाकृत लंबी अवधि के बीम समय (दिनों के क्रम में) आमतौर पर प्रयोग करने योग्य डेटा सेट के लिए आवश्यक होते हैं। व्यवहार्यता और वैज्ञानिक हित के लिए प्रस्तावों का मूल्यांकन किया जाता है।

तकनीक

 * न्यूट्रॉन विवर्तन
 * लघु कोण न्यूट्रॉन प्रकीर्णन
 * स्पिन इको स्मॉल एंगल न्यूट्रॉन स्कैटरिंग
 * न्यूट्रॉन परावर्तक
 * बेलोचदार न्यूट्रॉन प्रकीर्णन
 * न्यूट्रॉन ट्रिपल-एक्सिस स्पेक्ट्रोमेट्री
 * न्यूट्रॉन टाइम-ऑफ-फ्लाइट स्कैटरिंग
 * न्यूट्रॉन बैकस्कैटरिंग
 * न्यूट्रॉन स्पिन इको

यह भी देखें

 * न्यूट्रॉन परिवहन
 * लार्मर न्यूट्रॉन माइक्रोस्कोप
 * जन्म सन्निकटन

बाहरी संबंध

 * Free, EU-sponsored e-learning resource for neutron scattering
 * Neutron scattering - a case study
 * Neutron Scattering - A primer (LANL-hosted black-and-white version) - An introductory article written by Roger Pynn (Los Alamos National Laboratory)
 * Podcast Interview with two ILL scientists about neutron science/scattering at the ILL
 * YouTube video explaining the activities of the Jülich Centre for Neutron Scattering
 * Neutronsources.org
 * Science and Innovation with Neutrons in Europe in 2020 (SINE2020)
 * IAEA neutron beam instrument database

Neutronenstreuung