Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Наука с нейтронами
Neutron.svg
Фонды
Рассеяние нейтронов
Другие приложения
Инфраструктура
Нейтронные объекты
  • Америка: HFIR  · LANSCE  · NIST CNR - SNS
  • Австралия: OPAL
  • Азия: J-PARC  · HANARO
  • Европа: BER II  · FRM II  · ILL  · Источник нейтронов и мюонов ISIS  · ОИЯИ  · LLB  · PINS  · SINQ
  • Исторический: IPNS  · HFBR
  • В стадии строительства: ESS
  • v
  • т
  • е

Спектроскопия нейтронного спинового эха - это метод неупругого рассеяния нейтронов , изобретенный Ференцем Мезеем в 1970-х годах и разработанный в сотрудничестве с Джоном Хейтером. [1] В знак признания его работы и в других областях, Мезей был удостоен первой премии Вальтера Хельга в 1999 году.

Анимация спинового эха нейтронов, показывающая реакцию пучка нейтронов (красные стрелки) в их синей сфере Блоха, когда они проходят через серию магнитов

В магнитном резонансе , A спинового эха является переориентацию спиновой намагниченности с помощью импульса резонансного электромагнитного излучения . Спинового эха спектрометр имеет чрезвычайно высокое энергетическое разрешение (примерно одна часть в 100000). Кроме того, он измеряет корреляцию плотности и плотности (или промежуточную функцию рассеяния ) F (Q, t) как функцию переданного импульса Q и времени. Другие методы рассеяния нейтронов измеряют динамический структурный фактор S (Q, ω), который может быть преобразован в F (Q, t) с помощью преобразования Фурье., что может быть сложно на практике. Для слабо неупругих элементов S (Q, ω) лучше подходит, однако для (медленных) релаксаций естественное представление дается F (Q, t). Благодаря исключительно высокому эффективному разрешению по энергии по сравнению с другими методами рассеяния нейтронов, NSE является идеальным методом для наблюдения [2] перезатухающих внутренних динамических режимов (релаксации) и других диффузионных процессов в материалах, таких как смеси полимеров , алкановые цепи или микроэмульсии . Необычайная мощность спектрометрии NSE [3] была недавно продемонстрирована [4] [5] прямым наблюдением динамики связанных внутренних белков вбелки NHERF1 и Taq-полимераза , позволяющие непосредственно визуализировать работу белковых наномашин в движении. Существует несколько элементарных обзоров методики. [6] [7] [8] [9] [10]

Как это работает [ править ]

Спиновое эхо нейтронов - это метод времени пролета . Что касается спинов нейтронов он имеет сильную аналогию с так называемым Hahn эха , [11] , хорошо известным в области ЯМРА . В обоих случаях потеря поляризации (намагничивания) из-за расфазировки спинов во времени восстанавливается эффективной операцией обращения времени, что приводит к восстановлению поляризации (перефазировке). В ЯМР дефазировка происходит из-за изменения локальных полей в положениях ядер, в NSE дефазировка происходит из-за разных скоростей нейтронов в падающем нейтронном пучке. Larmor прецессияспина нейтрона в зоне подготовки с магнитным полем перед образцом кодирует отдельные скорости нейтронов в пучке в углы прецессии. Вблизи образца обращение времени осуществляется так называемым флиппером. Далее следует симметричная зона декодирования, так что в ее конце угол прецессии, накопленный в зоне подготовки, точно компенсируется (при условии, что образец не изменяет скорость нейтронов, то есть упругое рассеяние), все спины меняют фазу, образуя «спин-эхо». В идеале восстанавливается полная поляризация. Этот эффект не зависит от скорости / энергии / длины волны падающего нейтрона. Если рассеяние на образце не является упругим, но изменяет скорость нейтронов, перефазировка станет неполной и будут потеряны окончательные результаты поляризации, которое зависит от распределения разностей по времени, которое нейтронам необходимо для пролета симметричной первой (кодирующей) и второй (декодирующей) зон прецессии. Разница во времени возникает из-за изменения скорости, вызванного неупругим рассеянием на образце. Распределение этих временных разностей пропорционально (в приближении линеаризации, которое подходит для квазиупругой спектроскопии высокого разрешения) спектральной частифункция рассеяния S (Q, ω). Влияние на поляризацию измеряемого луча пропорционально кософурье-преобразованию спектральной функции, промежуточной функции рассеяния F (Q, t). Параметр времени зависит от длины волны нейтрона и фактора, связывающего угол прецессии с (обратной) скоростью, которой можно, например, управлять путем установки определенного магнитного поля в зонах подготовки и декодирования. Затем сканирование t может быть выполнено путем изменения магнитного поля.

Важно отметить: все манипуляции со спином - это всего лишь средства для обнаружения изменений скорости нейтрона, которые влияют - по техническим причинам - на преобразование Фурье спектральной функции в измеренной интенсивности. Изменения скорости нейтронов передают физическую информацию, доступную при использовании NSE, т. Е.

где и .

B обозначает напряженность поля прецессии, λ - (среднюю) длину волны нейтрона и Δv - изменение скорости нейтрона при рассеянии на образце.

Основная причина использования NSE заключается в том, что указанным выше способом он может достигать времен Фурье до многих 100 нс, что соответствует разрешению по энергии в диапазоне нэВ. Самый близкий подход к этому разрешению со стороны спектроскопических нейтронных приборов, а именно спектрометра обратного рассеяния (BSS), находится в диапазоне от 0,5 до 1 мкэВ. Уловка спинового эха позволяет использовать интенсивный пучок нейтронов с распределением длин волн 10% или более и в то же время быть чувствительным к изменениям скорости в диапазоне менее 10 -4 .

Примечание: приведенные выше пояснения предполагают общую конфигурацию NSE, которая впервые была использована прибором IN11 в Институте Лауэ – Ланжевена (ILL). Возможны и другие подходы, такие как резонансное спиновое эхо , NRSE с концентрированным постоянным полем и радиочастотным полем в ластах в конце зоны подготовки и декодирования, которые затем остаются без магнитного поля (нулевое поле). В принципе, эти подходы эквивалентны в отношении связи конечного сигнала интенсивности с промежуточной функцией рассеяния. Из-за технических трудностей до сих пор они не достигли того же уровня производительности, что и общие (IN11) типы NSE. [ необходима цитата ]

Что он может измерить [ править ]

В исследованиях мягкой материи структура макромолекулярных объектов часто исследуется методом малоуглового рассеяния нейтронов , МУРН. Обмен водорода с дейтерием в некоторых молекулах создает контраст по рассеянию даже между равными химическими соединениями. Картина дифракции МУРН - если интерпретировать в реальном пространстве - соответствует снимку изображения молекулярного устройства. Приборы нейтронного спинового эха могут анализировать неупругое уширение интенсивности МУРН и тем самым анализировать движение макромолекулярных объектов. [12]Грубая аналогия - это фотография с определенным временем открытия вместо снимка, подобного SANS (чтобы мы могли анализировать частоту колебаний молекул, а также их расположение). Время открытия соответствует времени Фурье, которое зависит от настройки спектрометра NSE, оно пропорционально магнитному полю (интеграл) и третьей степени длины волны нейтрона. Доступны значения до нескольких сотен наносекунд. Обратите внимание, что пространственное разрешение эксперимента по рассеянию находится в нанометровом диапазоне, что означает, что временной диапазон, например, 100 нс соответствует эффективным скоростям движения молекул 1 нм / 100 нс = 1 см / с. Это можно сравнить с типичной скоростью нейтронов 200..1000 м / с, используемой в экспериментах такого типа.

NSE и спин-некогерентное рассеяние (на протонах) [ править ]

Многие неупругие исследования, в которых используются спектрометры обычного времени пролета (TOF) или обратного рассеяния, основываются на огромном сечении некогерентного рассеяния нейтронов протонами. В сигнале рассеяния преобладает соответствующий вклад, который представляет собой (среднюю) функцию автокорреляции (по времени) протонов.

Недостатком спинового некогерентного рассеяния NSE является то, что оно переворачивает спины нейтронов во время рассеяния с вероятностью 2/3. Таким образом, 2/3 интенсивности рассеяния преобразуются в «неполяризованный» фон и ставится коэффициент -1/3 перед интегральным вкладом кос-Фурье, относящимся к некогерентной интенсивности. Этот сигнал вычитается из когерентного эхо-сигнала. Результатом может быть сложная комбинация, которую невозможно разложить, если используется только NSE. Однако в чистых случаях, т. Е. Когда имеется подавляющий вклад в интенсивность из-за протонов, NSE можно использовать для измерения их некогерентного спектра.

Ситуация с интенсивностью NSE - например, для образцов мягкой материи - такая же, как и в случае малоуглового рассеяния нейтронов ( SANS ). Молекулярные объекты с контрастом когерентного рассеяния при низком переданном импульсе ( Q ) демонстрируют когерентное рассеяние со значительно большей интенсивностью, чем некогерентное фоновое рассеяние. Этот эффект ослабевает по мере увеличения Q. Для систем, содержащих водород, контраст требует присутствия некоторых протонов, поскольку даже чистые дейтерированные образцы демонстрируют слабое спин-некогерентное рассеяние на дейтронах.

Полностью протонированные образцы позволяют проводить успешные измерения, но при интенсивности порядка фонового уровня МУРН. [13] Примечание. Эта интерференция с манипуляциями со спином в методе NSE возникает только при некогерентном спиновом рассеянии. Изотопическое некогерентное рассеяние дает "нормальный" сигнал NSE.

Существующие спектрометры [ править ]

IN11 ( ILL , Гренобль, Франция)

IN15 ( ILL , Гренобль, Франция)

NL2a J-NSE "PHOENIX" ( JCNS , Юлих , Германия, организовано FRM II Мюнхен , Мюнхен, Германия)

NL5-S RESEDA ( FRM II Мюнхен , Мюнхен, Германия)

V5 / SPAN ( Hahn-Meitner Institut , Берлин, Германия)

C2-3-1 iNSE (JRR-3, Токай, Япония)

BL06 VIN-ROSE (MLF, J-PARC, Токай, Япония)

BL-15 NSE ( SNS , ORNL , Ок-Ридж, США)

NG5-NSE (CHRNS, NIST , Гейтерсбург, США)

См. Также [ править ]

  • Биологическое малоугловое рассеяние
  • Ларморова прецессия
  • Спиновое эхо нейтронного резонанса
  • ЯМР
  • Белковый домен
  • Мягкая материя
  • Спин-эхо

Ссылки [ править ]

  1. ^ Mezei Ф., изд. (1980). Нейтронное спиновое эхо . Конспект лекций по физике Vol. 128. Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк: Springer.
  2. ^ Б. Фараго (2006). «Исследование нейтронного спинового эха в хорошо организованных системах мягкой материи». Physica B . 385–386: 688–691. Bibcode : 2006PhyB..385..688F . DOI : 10.1016 / j.physb.2006.05.292 .
  3. ^ Callaway, DJ; Фараго, B; Бу, З (2013). «Наноразмерная динамика белка: новый рубеж для спектроскопии нейтронного спинового эха». Европейский физический журнал E . 36 (7): 76. DOI : 10,1140 / epje / i2013-13076-1 . PMID 23884624 . 
  4. ^ Б. Фараго , Ли Дж, Cornilescu G, Callaway DJE , Бу - Z (ноябрь 2010 г.). «Активация наноразмерного движения аллостерического белкового домена, обнаруженная с помощью нейтронной спектроскопии спинового эхо» . Биофизический журнал . 99 (10): 3473–3482. Bibcode : 2010BpJ .... 99.3473F . DOI : 10.1016 / j.bpj.2010.09.058 . PMC 2980739 . PMID 21081097 .  CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ Бу - Z, R Biehl, Monkenbusch М, Д Рихтера, Callaway DJE (2005). «Движение связанных белковых доменов в полимеразе Taq обнаружено с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии» . Proc Natl Acad Sci USA . 102 (49): 17646–17651. Bibcode : 2005PNAS..10217646B . DOI : 10.1073 / pnas.0503388102 . PMC 1345721 . PMID 16306270 .  CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ Л. Кей Николсон (1981). "Спектрометр спинового эха нейтронов: новый метод высокого разрешения в рассеянии нейтронов". Contemp. Phys . 22 (4): 451–475. Bibcode : 1981ConPh..22..451N . DOI : 10.1080 / 00107518108231544 .
  7. ^ Хиггинс JS , Benoit HC (1997). Полимеры и рассеяние нейтронов . Оксфордская серия по рассеянию нейтронов в конденсированных средах (книга 8). Кларендон Пресс. ISBN 978-0198500636.
  8. ↑ Callaway DJ, Bu Z (2017). «Визуализация наномасштаба: внутренняя динамика белков и нейтронная спектроскопия спинового эха» . Curr. Opin. Struct. Биол . 42 : 1–5. DOI : 10.1016 / j.sbi.2016.10.001 . PMC 5374024 . PMID 27756047 .  
  9. Перейти ↑ Richter D (2006). «Нейтронное спиновое эхо для исследования крупномасштабной динамики макромолекул». J. Phys. Soc. Jpn . 75 (11): 110041–11004112. Bibcode : 2006JPSJ ... 75k1004R . DOI : 10,1143 / JPSJ.75.111004 .
  10. ^ Жакро, В (1976). «Исследование биологических структур методом рассеяния нейтронов из раствора» . Отчеты о достижениях физики . 39 (10): 911–53. Bibcode : 1976RPPh ... 39..911J . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 39/10/001 .
  11. ^ EL Hahn (1950). «Спиновое эхо». Физический обзор . 80 (4): 580. Bibcode : 1950PhRv ... 80..580H . DOI : 10.1103 / PhysRev.80.580 .
  12. ^ М. Монкенбуш и Д. Рихтер (2007). «Нейтронная спектроскопия высокого разрешения - инструмент для исследования динамики полимеров и мягкой материи». Comptes Rendus Physique . 8 (7–8): 845–864. Bibcode : 2007CRPhy ... 8..845M . DOI : 10.1016 / j.crhy.2007.10.001 .
  13. ^ А. Wischnewski и М. Monkenbusch и Л. Виллнер и Д. Рихтер и Г. Калите (2003). «Прямое наблюдение перехода от свободного к ограниченному односегментному движению в перепутанных полимерных расплавах» . Письма с физическим обзором . 90 (5): 058302. Bibcode : 2003PhRvL..90e8302W . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.90.058302 . PMID 12633402 .