Neutronspektroszkópiai Osztály
Az osztály 2020. január 1.-től átkerült az Energia Kutatóközpontba.
Főbb kutatási területeink:
A neutronszórás hatékony eszköz a kondenzált anyagok szilárd testek, folyadékok, lágy rendszerek, biológiai objektumok mikroszkópikus tulajdonságainak vizsgálatánál, illetve műszaki alkalmazásokban a roncsolásmentes anyagvizsgálatnál. A rugalmas és rugalmatlan szórásjelenségek alapján a neutronnyalábokkal végzett kisérletekben nagy pontossággal vizsgálható a kondenzált rendszerek mikro- és mezoszkópikus szerkezete és kölcsönhatásai.
A Budapesti Kutatóreaktor (BKR) neutronnyalábjai alapvetően neutronszórási vizsgálatok végzésére szolgálnak. Teljeskörű felújítás után a BKR-t 1993-ban indították újra 10 MW-ra emelt teljesítményen. A reaktor üzembehelyezésével párhuzamosan a KFKI telephelyén működő három kutatóintézet neutronos kutatással foglalkozó laboratóriumainak közös szervezeteként létrehozták a Budapesti Kutatóreaktor Műszerközpontot (BKM). A BKM fő működési területe a kondenzált anyagok kutatása, amelyet elsősorban az SzFKI Neutronfizikai Osztálya végez. A különböző kisérleti berendezéseket 7 főállású kutató és 6 időszakos munkatárs üzemelteti.
Egy kisszögű szórásvisgáló berendezést (SANS) és egy háromtengelyű spektrométert (TAS) használunk rendszeresen, mindkettő az új neutronvezető csarnokban helyezkedik el. Egy másik TAS berendezést és egy négykörös anyagvizsgáló diffraktométert jelenleg installálunk termikus nyalábokon a reaktorcsarnokban, ill. nemrég létesítettünk és hasznosítunk kooperációban egy új reflektométert a 3. neutronvezetőn. A fenti kisérleti eszközök működtetésén túlmenően segítséget nyújtunk a külső felhasználóknak a kisérletek elvégzésében és a kapott eredmények értelmezésében [1]. A helyi kutatók, együttműködve hazai és külföldi felhasználókkal, akik egyetemekről, az iparból és más kutatólaboratóriumokból jöttek, közel 50 kisérletet végeztek 1997-ben. A következőkben néhány példát ismertetünk arról a három területről, amelyeket kutatási programunkkal és eredményeinkkel alapvetően lefedünk.
A Budapesti Neutronközpont Hidegneutron Kutatóberendezésének neutronirányító csarnoka, részleges rálátással néhány neutronszóró eszközre, mint a kis szögű neutronszóró spektrométer, a függőleges felszín reflektométer, és az eszközfejlesztő kipróbáló részleg.
Fázisátalakulások vizes oldatokban. A víz a legfontosabb oldószerünk, amely alapvető szerepet játszik a biológiai folyamatokban, ill sok kémiai (és gyakran ipari) folyamatban. A vizes oldatok szerkezete függ a víz és az oldott molekulák közötti kölcsönhatástól [2].
Az ionos oldatok szerkezetét a Coulomb kölcsönhatás határozza meg. A vas II-perklorát folyékony nitrogén hőmérsékletre gyorshűtött vizes oldatának kisszögű neutronszórásos vizsgálata 20-30 nm méretű inhomogenitások jelenlétét mutatta ki. A hőmérséklet emelkedésével -90oC körül ezek az aggregátumok eltűnnek, majd további hőmérséklet emelkedés után újra megjelennek. Szobahőmérséklethez közeledve ez a jelenség hirtelen eltűnik. Megállapítottuk, hogy ezeknek az inhomogenitások vas-perklorátban dús területekkel állnak kapcsolatban. Ezen túlmenően, sikerült kollektív jelenséget felfedeznünk ezen a rendszeren, egy új fázisátalakulás formájában a gyorshűtött rendezetlen rendszerből kristályos állapotba egy közbeékelt folyékony fázison keresztül.
Egy másik fontos rendszert alkotnak a vízben oldott amfifil molekulák, amelyek jellegzetesen egy ionos fejrészből és az ehhez kapcsolódó, hidrofób tulajdonságokat mutató szénhidrogén láncból állnak. Az amfifilek egyik alcsoportjának molekulái, a szurfaktánsok, vízben oldva egy bizonyos kritikus koncentráció felett különböző tipusú aggregátumokat, ún. micellákat képeznek. Ebben az esetben is kisszögű neutronszórással mutattuk ki, hogy az aggregációs szám hatványtörvény szerint függ a szénhidrát láncok hosszától. A kevert szurfaktáns rendszerekben az aggregációs szám az egyes komponensek aggregációs száma közé esik.
Lágy anyagok. A polimer gélek kitünő modell objektumok a víz transzportjának tanulmányozására a molekuláris biológiában fontos szerepet játszó komplex rendszerekben. Kisszögű szóráskisérleteink megmutatták, hogy a gélszerkezet komplex hálózatnak tekinthető, amelyben a polimer láncokkal összekapcsolt molekuláris keresztkötések által közvetített sűrűség-sűrűség korreláció 50 nm-nél nagyobb távolságokra terjed. Rugalmatlan szórással sikerült felderítenünk diffúziós viselkedésüket, azaz a molekulák random vándorlását a vízben. A vízmolekulák kölcsönhatása a töltött polimer láncokkal erősebbnek bizonyult magasabb polimer koncentrációnál, és a diffúzió oszcilláló viselkedésének első részeként volt értelmezhető.
A folyadékkristályos (LC) kompozit rendszerek iránt főként a lapos képernyőkben történő lehetséges felhasználásuk miatt fokozódik az érdeklődés. A kompozitok többségében a folyadékkristályt polimer mátrixban diszpergálják vagy megfordítva, kis mennyiségű polimert kevernek folytonos LC mátrixba (LC/Polymer/Gél Rendszerek). Az utóbbi időben intenzíven kutatják a szervetlen rendszereket is, amelyekben a folyadékkristály folytonos porózus aerogélben van beágyazva vagy nematikus LC-be kis mennyiségű szilika részecskét töltenek. SANS vizsgálataink felderítették a szmektikus szerkezet orientációs stabilizálódását a folyadékkristály mátrixban diszpergált nem mezogén polimer háló hatására [3]. Legutóbbi kisérletünkben 8CB folyadékkristályban diszpergált hidrofób szilika részecskéket vizsgáltunk. A szmektikus rétegekről kapott Bragg reflexiók megmutatták, hogy ha a rendszert mágneses térben hűtjük le, a rétegek orientáltsága tökéletes marad. Mágneses tér nélkül történő hőkezelés majd ismételt lehűtés után szmektikus A fázisig, visszakapjuk a korábbi rendezettséget. A hőmérsékleti effektus függését a szilika részecskék koncentrációjától a szmektikus rétegekről nyert diffrakciós minták segítségével mértük.
Fém és kompozit rendszerek. Az iparban hasznosítható műszaki alkalmazások lehetőségére példa a kálium buborékok morfológiájának kutatása adalékolt volfrám huzalok sorozatán. SANS kisérletekkel kimutattuk, hogy az orientált kálium diszperzoidok a megmunkálás során ellipszoiddá deformálódott buborékok alakja közvetlenül megfigyelhető a kétdimenziós helyzetérzékeny detektorral felvett izointenzitás kontúrtérképek segítségével. Az izzólámpa gyártásban használt W huzal minták a dróthúzás után erős anizotrópiát mutattak, amely a közbenső hőkezelés után is megőrződött kisebb mértékben, és csak a teljes kihőkezelés után tűnt el teljesen. Az eredményeket elnyúlt ellipszoid és gömb alakú kálium diszperzoid részecskék keverékéből álló egyszerű modell segítségével értelmeztük.
A neutronszórás fontosságát és lehetőségeit illusztrálja az ipari defektoszkópia területén az alábbi példa. Alumínium alapú kompozit anyagból készült, helikopter motorban használt turbinalapátokat vizsgáltuk. A SANS minta jól definiált szerkezetet mutatott ki, tükrözve az alumíniumba ágyazott szálak méretét és a köztük való távolságot. Kifejezett különbséget figyeltünk meg az ép és a meghibásodott turbinalapátok nano-textúrái között. A neutron diffrakció kimutatta az alumínium mátrix szokásos textúráját, amely korrelált a korábban megfigyelt nano-textúra mintákkal. Ezen túlmenően, a diffrakciós csúcsok eltolódása a törött lapát esetében a plasztikus deformációra jellemző, 250 MPa nagyságrendű belső maradékfeszültségnek felelt meg, amely meghaladta a normál üzemi érték határát. Az ilyen tipusú diagnosztikai vizsgálatok lehetővé teszik rejtett hibák kimutatását vagy egy esetleges baleset okainak tisztázását
További információ:
Rosta László, E-mail: 
Jellemző publikációk
L. Rosta: Neutron Scattering for Condensed Matter Research and Materials Science at the Budapest Research Reactor. Physica B 213-214, 848 (1995)
L. Cser, T. Grósz, G. Jancsó*, G. Káli: The Nature of the Interaction of Tetramethylurea in Various Solvents. Physica B 234-236, 349-350 (1997)
L. Rosta, O. Blaschko*, S. Borbély, A. Jákli: Medium Range Correlation in Decomposing Binary Systems. Acta Phys. Hun. 75, 239 (1994)