As medidas de espalhamento de nˆeutrons a baixos ˆangulos (Small Angle Neutrons Scattering - SANS) foram realizadas no Institut Laue-Langevin - ILL, em Grenoble - Fran¸ca, na linha de espalhamento de nˆeutrons D11, representada na figura (2.1). Detalhes da linha podem ser encontrados nas referˆencias [52] e [53]. Uma descri¸c˜ao geral da instrumenta¸c˜ao de medidas de espalhamento de nˆeutrons pode ser encontrada em [34] e [54] .
Os nˆeutrons usados no espalhamento s˜ao produzidos pela rea¸c˜ao em cadeia da fiss˜ao do urˆanio 235U. Nessa rea¸c˜ao um nˆeutron ´e absorvido pelo n´ucleo do urˆanio e
segue-se sua fragmenta¸c˜ao em ´atomos mais leves liberando de 2 a 5 nˆeutrons. Na m´edia s˜ao produzidos 2,5 nˆeutrons por ´atomo de urˆanio dos quais 1,5 s˜ao usados na continuidade da rea¸c˜ao. Logo cada fiss˜ao produz, em m´edia, um nˆeutron utiliz´avel. No n´ucleo do reator s˜ao produzidos nˆeutrons r´apidos (1-2 MeV) em todas as dire¸c˜oes. Para utilizar os nˆeutrons ´e preciso “resfri´a-los”, ou seja, diminuir sua velocidade m´edia, gui´a-los at´e as amostras, monocromatiz´a-los e colimar o feixe. Ao contr´ario dos raios X, os nˆeutrons n˜ao tˆem um feixe bem definido de modo que utiliza-se a pequena fra¸c˜ao que viaja na dire¸c˜ao desejada. Do fluxo original de cerca de 1015nˆeutrons/cm2.s
aproveita-se apenas 107 nˆeutrons/cm2.s.
Ao sairem do n´ucleo do reator os nˆeutrons passam por moderadores, normalmente D2O ou H2O, grafite ou ainda D2 l´ıquido. Os nˆeutrons sofrem colis˜oes com os ´atomos
nos moderadores transferindo parte de seu momento. Se o moderador for grande o suficiente eles atingem aproximadamente um equil´ıbrio t´ermico, como um g´as de nˆeutrons, e sua velocidade m´edia depender´a da temperatura do moderador. Os moderadores s˜ao usados de acordo com os valores de comprimento de onda desejados. Esse ´e um modo de aumentar o fluxo de nˆeutrons nas condi¸c˜oes desejadas. A linha D11 utiliza um moderador com D2 l´ıquido a 25 K. A nova distribui¸c˜ao de velocidades
Figura 2.1: Representa¸c˜ao esquem´atica da linha D11.
A sele¸c˜ao do comprimento de onda associado aos nˆeutrons (pela rela¸c˜ao de de Broglie λ = h/mv) se d´a por um seletor de velocidades. Uma vez que as velocidades t´ıpicas s˜ao relativamente baixas (para um comprimento de onda de 6 ˚A a velocidade ´e por volta de 600 m/s) usa-se um seletor mecˆanico de velocidades. Esse dispositivo consistem em p´as de fibra de carbono de 400 mm de comprimento e 420 mm de diˆametro externo e com velocidade m´axima de rota¸c˜ao de 10.300 rev/min (fig. 2.2). O seletor de velocidades funciona do seguinte modo: suas p´as s˜ao curvadas de modo que apenas os nˆeutrons com uma velocidade espec´ıfica conseguem passar nos espa¸cos vazios `a medida que ele roda. Os nˆeutrons de velocidades muito altas ou muito baixas s˜ao bloqueados.
Figura 2.2: Monocromador de nˆeutrons: seletor de velocidades.
Normalmente em instala¸c˜oes de pesquisas que usam nˆeutrons ´e interessante apro- veitar o m´aximo a produ¸c˜ao de nˆeutrons, ou instalar o m´aximo de linhas de pesquisa poss´ıvel. Como o fluxo de nˆeutrons cai com o quadrado da distˆancia ´e uma vantagem ´obvia manter os equipamentos de dete¸c˜ao o mais pr´oximo poss´ıvel da fonte. Esse problema ´e solucionado com o uso de guias de nˆeutrons. As guias s˜ao tubula¸c˜oes de
se¸c˜ao retangular (30 × 50 mm2) que possibilitam o transporte dos nˆeutrons a grandes
distˆancias do reator. As guias s˜ao revestidas de um material apropriado (por exemplo, n´ıquel) que refletem totalmente os nˆeutrons. Na linha D11 a guia entre o reator e o monocromador tem cerca de 100 m de comprimento e um raio de curvatura de 2700 m. A amostra fica a cerca de 40 m do monocromador (fig. 2.1). Entre a amostra e o monocromador o feixe ´e colimado por um jogo de diafragmas de 50 × 30 mm2.
A dete¸c˜ao de nˆeutrons se d´a pela rea¸c˜ao nuclear do nˆeutron com um ´atomo. A rea¸c˜ao envolve a absor¸c˜ao do nˆeutron, quebra do ´atomo e libera¸c˜ao de energia. 3He
e 10B s˜ao exemplos das substˆancias usadas. As rea¸c˜oes nucleares envolvidas s˜ao:
3He + n → 3H + 1H + 0,77 MeV,
10B + n→ 7Li + 4He + 2,3 MeV.
Para detec¸c˜ao dos nˆeutrons usa-se detectores a g´as, que s˜ao cilindros de alguns cent´ımetros de diˆametro por algumas dezenas de cent´ımetros de comprimento. Os cilindros s˜ao preenchidos com h´elio gasoso enriquecido com 3He pressurizado ou BF
3
enriquecido com 10B. Na rea¸c˜ao s˜ao produzidas part´ıculas carregadas que ionizam o
g´as. Os el´etrons produzidos s˜ao acelerados e ionizam mais part´ıculas. Essa descarga ´e detectada por um eletrodo, um fio posicionado ao longo do eixo do detector. ´E poss´ıvel conhecermos a posi¸c˜ao de incidˆencia do nˆeutron comparando os tempos que o pulso leva para chegar a cada extremo do eletrodo. Detectores 2D, ou multidetectores s˜ao constru´ıdos usando uma s´erie de detectores individuais montados juntos. A linha D11 usa um multidetector de BF3 enriquecido com 10B. Ele ´e constitu´ıdo em dois
conjuntos de fios mutuamente perpendiculares onde cada conjunto de fios paralelos s˜ao dispostos dentro de uma mesma cˆamara com o g´as. A ´area do detector ´e de 64 × 64 cm2 com 3808 elementos ativos de 10 × 10 mm2. O detector ´e protegido
do feixe incidente (que n˜ao ´e espalhado) por uma lˆamina de 1 mm de espessura de c´admio, e ´area de 80 × 60 mm2.
Mudando a posi¸c˜ao do detector em rela¸c˜ao `as amostras pode-se ampliar a faixa de vetores de espalhamento. A posi¸c˜ao e deslocamento do detector ´e controlado por
computador e sua posi¸c˜ao em rela¸c˜ao `a amostra pode variar de 1,1 m a 36,7 m. Uma vez que a faixa limite de comprimentos de onda na linha D11 ´e de λ = 4, 5 − 12 ˚A, temos que os valores acess´ıveis do vetor de espalhamento ´e de 7, 4 × 10−4 a 0,44 ˚A−1.