Blostein, Jerónimo (2004) Estudio de la dinámica de la materia condensada a través de la técnica de dispersión inelástica profunda de neutrones / Study of the condensed matter dynamics by the deep inelastic neutron technique. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Se explican los motivos que dieron origen a la técnica de eVS, se describe en qué consiste la misma, y se muestra por qué esta técnica es particularmente útil a los efectos de estudiar la dinámica de diferentes núcleos en diversos sistemas. Se expone el formalismo de convolución habitualmente utilizado a la hora de procesar los espectros obtenidos con esta técnica, en el cual se supone que la energía de los neutrones detectados se encuentra esencialmente fijada por la resonancia del filtro interpuesto en el haz dispersado. En este trabajo se presenta por primera vez el formalismo exacto que describe los espectros obtenidos para el caso de muestras delgadas; en este formalismo se consideran todos los pares de energías inicial y final compatibles con las longitudes de vuelo involucradas, en claro contraste con la hipótesis de energía final fija antes mencionada. A la luz del formalismo exacto, el análisis realizado en esta Tesis pone de manifiesto fallas en el formalismo de convolución empleado a la hora de tratar los datos experimentales. Se demuestra que el formalismo de convolución es sólo una representación aproximada de la descripción exacta y que es incapaz de describir adecuadamente los espectros observados. Se muestra que las deficientes descripciones de los diferentes picos observados en la escala tiempo de vuelo se traducen en errores en las magnitudes usualmente informadas como resultado de un experimento de eVS, esto es: intensidades de picos aislados, intensidades de picos no totalmente resueltos, temperaturas efectivas y distribuciones de impulso. A fin de exponer la razón básica de estas fallas, a partir del formalismo exacto se analizan las distribuciones de energía final responsables de la intensidad observada en diferentes canales de tiempo. Se concluye que, a cada tiempo de vuelo, es una distribución de energies finales la que produce el espectro y no una energía bien definida. Se muestra que las distribuciones de energía final no están determinadas solamente por la resonancia del filtro, sino que dependen fuertemente del tiempo de vuelo en cuestión debido a condiciones cinemáticas y dinámicas que no son tenidas en cuenta en el tratamiento usual de datos. Se analizan ejemplos en los cuales el empleo de la aproximación de convolución conduce a resultados erróneos, y se muestra que éstos tienen la misma tendencia y son muy similares a supuestos resultados anómalos atribuidos en numerosas publicaciones al descubrimiento de nuevos fenómenos físicos. Por ejemplo, para el caso de mezclas de agua liviana y agua pesada se presentan resultados de simulaciones que reproducen el comportamiento de las supuestas anomalías informadas para el cociente entre la sección eficaz del hidrógeno y la del deuterio. Además, se midieron las secciones eficaces totales de mezclas de tales líquidos y se obtuvieron resultados en perfecto acuerdo con los valores esperados, por lo que se concluye que estas supuestas secciones eficaces anómalas, informadas luego de emplear la aproximación de convolución para el procesamiento de los datos de eVS, son inexistentes. La ausencia de anomalías en las secciones eficaces totales de tales mezclas proporciona clara evidencia experimental de la invalidez del formalismo de convolución usualmente empleado para el procesamiento de los datos de eVS. En vista de la principal motivación que dio origen a la técnica de eVS, y ante la clara invalidez de la aproximación de convolución, se presenta por primera vez el formalismo exacto que permite obtener las distribuciones de impulsos nucleares en la materia condensada a partir de los perfiles de intensidad experimentalmente observados. Dicho formalismo, válido para una distribución de impulsos arbitraria, no requiere la hipótesis de potenciales armónicos e involucra un núcleo de integración que, mediante expresiones analíticas, depende sólo de las características del instrumento y es independiente de las características de la muestra. El trabajo realizado, además de mostrar la magnitud de las imprecisiones del formalismo de convolución, sienta las bases para un correcto tratamiento de los datos obtenidos con esta técnica. En el plano experimental, se ha implementado con éxito la técnica de eVS utilizando el acelerador LINAC del Centro Atómico Bariloche como base para la producción de neutrones en forma pulsada, estableciéndose así el segundo laboratorio de investigación activo en este campo. Las simulaciones realizadas por Monte Carlo muestran un muy buen acuerdo con los resultados experimentales. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia de seleccionar muestras de un espesor adecuado, efectuar correcciones por scattering múltiple y atenuación en la muestra, y de emplear el formalismo exacto, para lo cual es necesario caracterizar detalladamente los diferentes elementos que componen el dispositivo experimental. Sobre la base de la experiencia adquirida, se describen las importantes mejoras introducidas en la implementación de la técnica de eVS en nuestro Laboratorio, entre las que se destacan la construcción de un nuevo banco de detectores como así también la adquisición de nuevos filtros de distinto material y espesor. Se indican las características del nuevo espectrómetro de eVS construido en el marco del presente trabajo, luego de un diseño original en el cual los diferentes parámetros han sido optimizados específicamente para su empleo en el LINAC del CAB. Se discuten algunos de los resultados esperados con este nuevo dispositivo experimental, y se analizan cuales son las principales perspectivas y futuras investigaciones empleando la técnica de eVS, entre las que se destacan: el estudio de la dinámica de diferentes nucleos en diferentes sistemas, la obtención de valores absolutos de secciones eficaces de scattering en el rango epitérmico, y la espectrometría de masa no destructiva (tanto en forma relativa como absoluta), entre otras aplicaciones
Resumen en inglés
In this work we describe the motivations that originated the eVS technique, and we explain why this technique is particularly useful to study the dynamics of nuclei in different systems.We expose the fundamentals of the convolution formalism usually employed for the data treatment of this technique, which is based on the assumption that the energy of the detected neutrons is fixed by the resonant filter. In this thesis it is presented for the first time the exact formalism that describes the experimentally obtained spectra for thin samples, which considers all pairs of initial and final energies compatible with the flight paths, in clear contrast with the mentioned hypothesis of fixed final energy .In the light of the exact formalism, the analysis presented in the this thesis reveals flaws in the convolution formalism employed for the experimental data treatment.This analysis shows that the deficient descriptions of the different peaks observed in the time of flight scale produce errors in the magnitudes usually informed as results of an eVS experiment, i.e.: intensity of isolated peaks, intensities of peaks not totally resolved, effective temperatures and momentum distributions.To expose the basic reason of such deficiencies, an the exact formalism is employed to analyze the final energy distributions responsible of the observed intensities in the different time channels.We conclude that for each time channel, it is not a well-defined energy, but a whole energy distribution the responsible to produce the observed spectrum.We show that such energy distributions are not determined only by the filter's resonance, but depend strongly on the time of flight due to kinematic and dynamic reasons, not taken into account in the usual data treatment.We analyze examples where the use of the convolution approximation leads to erroneous results, and we show them to have a similar behavior than claimed anomalous results published in several papers, which ascribe them to new physical phenomena.For the special case of light water/ heavy water mixtures we present calculations that reproduce the behavior of the reported anomalies on the hydrogen-deuterium neutron cross section rate.We present total cross section measurements of such liquid mixtures, in total agreement with the expected values, whereby we conclude that the purported anomalous cross sections (reported after employing the convolution approximation in the eVS data treatment) do not exist.The absence of anomalies in the total cross sections of those liquid mixtures provides a clear evidence of the invalidity of the convolution formalism usually employed in the eVS data treatment. In view of the main motivation that originated the eVS technique, and the clear invalidity of the convolution formalism, we present for the first time the exact formalism to obtain the nuclear impulse distributions in condensed matter systems, starting form the experimentally observed intensity profiles.Such formalism, valid for an arbitrary impulse distribution, does not require the harmonic potential hypothesis, and involves an integration kernel that depends analytically only on the instrumental characteristics, and is independent of the sample characteristics. Our work, besides assessing the magnitude of the inaccuracy of the convolution formalism, establishes the basis for a correct treatment of the experimental data obtained with this technique.On the experimental side, we implemented successfully the eVS technique in the linear accelerator pulsed neutron facility at the Bariloche Atomic Center, thus being the second laboratory in the world to employ it regularly.Monte Carlo simulation presented in this thesis, show the importance to adequately select the sample thickness, and to correct by multiple scattering, attenuation and detector efficiency effects, and also to employ the exact formalism.To this end it is necessary to characterize in detail the different elements that compose the experimental device.On the basis of the acquired experience, we describe the important improvements introduced in the implementation of the eVS technique in our Laboratory, among which we emphasize the new detector bank and the acquisition of new filters of different materials and thickness.We describe the characteristics of the new eVS spectrometer, and the optimization of the different parameters of design.We discuss some of the expected results with this new experimental device, and we analyze the main prospects and future activities.We emphasize the study of the dynamics of different systems, the absolute value of total cross sections and non-destructive mass spectrometry (relative and absolute) among other applications
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Dispersión; Sección eficaz; Agua liviana; Dinámica; Agua pesada; Espectroscopía de masas; Neutrones epitérmicos; Dispersión inelástica profunda; Sólidos; Neutrons; Scattering; Cross sections; Water; Dynamics; Heavy water; Mass spectroscopy; Fast neutrons; Deep inelastic scattering; Solids; |
| Materias: | Física |
| Divisiones: | Energía nuclear > Ingeniería nuclear > Física de neutrones |
| Código ID: | 15 |
| Depositado Por: | Administrador RICABIB |
| Depositado En: | 28 Abr 2010 11:50 |
| Última Modificación: | 28 Abr 2010 11:50 |
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