Trong vật chất, nơtron tương tác cả với hạt nhân (tương tác hạt nhân) và cả với điện tích thông qua tương tác mômen lưỡng cực từ. Không giống như trong trường hợp của tia X và điện tử, độ dài tán xạ của nơtron trên hạt nhân không phụ thuộc một cách có quy luật vào số khối của nguyên tố và không
giảm khi véc-tơ mạng ảo 𝑄⃗ = 𝑘⃗ 1− 𝑘⃗ 0 tăng (hình 2.8). Điều này cho phép chúng ta có thể thực hiện các nghiên cứu với Q lớn. Đặc biệt, với những nguyên tố có cường độ tán xạ lớn như H và O cho phép xác định chính xác vị trị của chúng trong ô mạng cơ sở. Điều này không thể làm được bằng các phương pháp khác như nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ điện tử. Các ion nhẹ trên có vai trò quan trọng đối với sự hình thành các tính chất vật liệu. Nhờ sự tồn tại mômen từ của nơtron, phương pháp nhiễu xạ nơtron cho phép nghiên cứu cấu trúc từ tính cũng như động học từ của vật liệu.
Hình 2. 8 Sơ đồ tán xạ của sóng phẳng tại nguyên tử. 𝒌⃗⃗⃗⃗ 𝟎và 𝒌⃗⃗⃗⃗ 𝟏 lần lượt là vector sóng tới và vector sóng tán xạ.
Hình 2. 9 Sơ đồ phổ kế DN-12 tại lò phản ứng nơtron xung IBR-2M, thuộc phòng thí nghiệm nơtron, Liên bang Nga [38]: (1) Lõi, (2) điều hướng, (3) bộ cắt quang học, (4) bộ chắn nơtron nhanh, (5) bộ điều hướng, (6) bộ chắn, (7) hệ thống detector và (8) vị
Ngoài ra, tương tác hạt nhân cũng như tương tác từ của nơtron nhiệt với vật chất rất yếu chính vì thế chúng không phá vỡ cấu trúc cũng như không làm thay đổi thành phần hóa học của vật liệu. Do tương tác yếu với vật chất nên nơtron có khả năng xuyên thấu cao so với tia X và điện tử. Điều này cho phép khảo sát vật liệu khối và các hiệu ứng động học khác. Chính vì thế, sử dụng phương pháp tán xạ nơtron nhiệt cho phép giải quyết nhiều vấn đề quan trọng của vật lý chất rắn ở cấp độ vi mô. Phổ nhiễu xạ nơtron của các vật liệu nghiên cứu được thực hiện trên phổ kế thời gian bay (TOF) DN-12 (hình 2.9) trên lò phản ứng nơtron xung IBR-2M tại phòng thí nghiệm nơtron, Liên bang Nga [38]. Cơ chế hoạt động của phổ kế TOF dựa theo nguyên tắc năng lượng hay bước sóng của nơtron được xác định bằng khoảng thời gian bay của chúng từ nguồn tại thời điểm to và thời điểm ghi nhận bởi detector t bởi công thức sau:
𝜆 = ℎ𝑡
𝑚(𝐿0+ 𝐿1)
với L là khoảng cách từ nguồn đến mẫu và L1 là khoảng cách từ mẫu đến
detector. Mô hình tổng quát của nhiễu xạ theo phương pháp thời gian bay được đưa ra như hình 2.10.
Hình 2. 10 Hệ thống nhiễu xạ theo phương pháp thời gian bay.
gồm có các phần chính: A: nguồn xung, B: bộ phận điều tiết, C: ống dẫn nơtron, D: mẫu vật, E: detector, F: bộ phận phân tích, G: bộ phận xử lý,
k1 và k2 lần lượt là các véctơ tới và vetơ tán xạ của nơtron.
Nơtron sau khi đi ra từ nguồn xung sẽ đi qua bộ phận điều tiết và đường dẫn chuẩn trực, sau đó sẽ tán xạ trên mẫu vật và cuối cùng được ghi nhận trên các detector đã được cố định góc. Máy phân tích sẽ ghi nhận thời gian bay của nơtron từ ống dẫn cho đến khi vào detector và lưu lại vào bộ nhớ. Hệ thống detector của phổ kế nơtron DN-12 được biểu diễn như trên hình 2.11. Các thông số của phổ kế DN-12 được trình bày chi tiết ở bảng 2.1.
Hình 2. 11Hệ thống detector của phổ kế DN-12.
Trong luận văn này, các vật liệu sau khi tổng hợp được đo nhiễu xạ nơtron với phổ kế DN-12. Các phép đo được thực hiện tại các góc tán xạ 2θ = 45.5 và 90 với các độ phân giải lần lượt lag d/d = 0.022 và 0.015. Các phép
đo nhiễu xạ nơtron được thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ 15 K đến 300 K. Thời gian cho đo ứng với mỗi nhiệt độ là 4 h. Các kết quả thu được từ nhiễu xạ
tia X và nơtron được xử lí bằng phương Rietveld sử dụng chương trình Fullprof.