Нейтронное спиновое эхо - Neutron spin echo

Наука с нейтроны
Neutron.svg
Фонды
Рассеяние нейтронов
Другие приложения
Инфраструктура
Нейтронные объекты

Нейтронное спиновое эхо спектроскопия - это неупругое рассеяние нейтронов техника изобретена Ференц Мезей в 1970-х годах и разработан в сотрудничестве с Джоном Хейтером.[1] В знак признания его работы и в других областях Мезей был награжден первой Приз Вальтера Хельга в 1999 году.

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

В магнитный резонанс, а спин-эхо это переориентация вращение намагничивание импульсом резонансного электромагнитное излучение. В спин-эхо Спектрометр обладает чрезвычайно высоким разрешением по энергии (примерно 1/100 000). Кроме того, он измеряет корреляцию плотности и плотности (или промежуточная функция рассеяния ) F (Q, t) как функция 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 преобразование Фурье, что может быть сложно на практике. Для слабо неупругих элементов S (Q, ω) лучше подходит, однако для (медленных) релаксаций естественное представление задается F (Q, t). Благодаря исключительно высокому эффективному разрешению по энергии по сравнению с другими методами рассеяния нейтронов, NSE является идеальным методом наблюдения[2] чрезмерно демпфированный внутренние динамические режимы (релаксации) и другие диффузионные процессы в материалах, таких как полимерные смеси, алкан цепи, или микроэмульсии. Необычайная мощность спектрометрии NSE[3] был дополнительно продемонстрирован недавно[4][5] непосредственным наблюдением связанных внутренних динамика белка в белки NHERF1 и Полимераза Taq, позволяя прямую визуализацию белка наномашина в движении. Существует несколько элементарных обзоров техники.[6][7][8][9][10]

Как это устроено

Нейтронное спиновое эхо - это время полета техника. Что касается спинов нейтронов, он имеет сильную аналогию с так называемым Хан эхо,[11] хорошо известен в области ЯМР. 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. Ларморова прецессия спина нейтрона в зоне подготовки с магнитным полем перед образцом кодирует индивидуальные скорости нейтронов в пучке в углах прецессии. Вблизи образца обращение времени производится так называемым флиппером. Далее следует симметричная зона декодирования, так что на 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 с образованием «спинового эха». 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 конечные результаты поляризации, которые зависят от распределения разностей во времени, которое нейтронам необходимо, чтобы сначала пролететь через симметричный (кодирование ) и второй (декодирующей) зоны 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 части функция рассеяния S (Q, ω). Влияние на поляризацию измеряемого пучка пропорционально кос-преобразование Фурье спектральной функции промежуточная функция рассеяния F (Q, t). Параметр времени зависит от длины волны нейтрона и фактора, связывающего угол прецессии с (обратной) скоростью, что может, например, управляться установкой 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.

куда 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. Наиболее близкий подход к этому разрешению со стороны спектроскопических нейтронных приборов, а именно обратное рассеяние спектрометра (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 используется прибором IN11 на Institut Laue – Langevin (БОЛЬНОЙ)--. Возможны и другие подходы, такие как резонансное спиновое эхо, NRSE с концентрированным постоянным полем и радиочастотным полем в ластах в конце зон 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.[нужна цитата ]

Что он может измерить

В мягкое вещество Исследования структуры макромолекулярных объектов часто исследуют малоугловое рассеяние нейтронов, SANS. Обмен водород с дейтерий в некоторых молекулах создает рассеивающий контраст 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 Время Фурье который зависит от настройки спектрометра NSE, он пропорционален магнитному полю (интегралу) 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 соответствуют эффективной скорости 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)

Многие неэластичные исследования, в которых используются нормальные время полета (TOF) или спектрометры обратного рассеяния полагаются на огромное некогерентное сечение рассеяния нейтронов протонами. В сигнале рассеяния преобладает соответствующий вклад, который представляет собой (среднюю) функцию автокорреляции (по времени) протонов.

Для спина NSE некогерентное рассеяние имеет недостаток, заключающийся в том, что он переворачивает спины нейтронов во время рассеяния с вероятностью 2/3. Таким образом, преобразовывая 2/3 интенсивности рассеяния в "неполяризованный" фон и ставя коэффициент -1/3 перед cos- Интегральный вклад Фурье, относящийся к некогерентной интенсивности. Этот сигнал вычитается из когерентного эхо-сигнала. Результатом может быть сложная комбинация, которая не может быть разложена, если используется только NSE. Однако в чистых случаях, то есть когда имеется подавляющий вклад интенсивности из-за протонов, NSE можно использовать для измерения их некогерентного спектра.

Ситуация интенсивности NSE - например, образцы мягкой материи - то же, что и при малоугловом рассеянии нейтронов (SANS ). Молекулярные объекты с контрастом когерентного рассеяния при малой передаче импульса (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 показывают слабое спин-некогерентное рассеяние на дейтронах.

Полностью протонированные образцы позволяют успешно проводить измерения, но при интенсивности порядка фонового уровня МУРН.[13]Примечание: это вмешательство в спин-манипуляцию техники NSE происходит только с спин-некогерентный рассеяние. Изотопное некогерентное рассеяние дает "нормальный" сигнал NSE.

Существующие спектрометры

IN11 (БОЛЬНОЙ, Гренобль, Франция)

IN15 (БОЛЬНОЙ, Гренобль, Франция)

NL2a J-NSE (JCNS, Юлих, Германия, организатор FRM II Мюнхен, Мюнхен, Германия)

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

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

C2-3-1 NSE ISSP, (JRR-3, Токай, Япония).

БЛ-15 НСЕ (SNS, ORNL, Ок-Ридж, США)

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Mezei, F., ed. (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. Дои:10.1016 / j.physb.2006.05.292.
  3. ^ Callaway, D. J .; Фараго, B; Бу, З (2013). «Наноразмерная динамика белка: новый рубеж для спектроскопии нейтронного спинового эха». Европейский физический журнал E. 36 (7): 76. Дои:10.1140 / epje / i2013-13076-1. PMID  23884624.
  4. ^ Б. Фараго, Ли Дж., Корнилеску Дж., Callaway DJE, Bu 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. Дои:10.1016 / j.bpj.2010.09.058. ЧВК  2980739. PMID  21081097.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Бу З., Биль Р., Монкенбуш М., Рихтер Д., Callaway DJE (2005). «Движение связанного белкового домена в полимеразе Taq обнаружено с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии». Proc Natl Acad Sci USA. 102 (49): 17646–17651. Bibcode:2005PNAS..10217646B. Дои:10.1073 / pnas.0503388102. ЧВК  1345721. PMID  16306270.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  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. Дои: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 в наномасштабе: внутренняя динамика белков и нейтронная спектроскопия спинового эха». Curr. Мнение. Struct. Биол. 42: 1–5. Дои:10.1016 / j.sbi.2016.10.001. ЧВК  5374024. PMID  27756047.
  9. ^ Рихтер Д. (2006). «Нейтронное спиновое эхо для исследования крупномасштабной динамики макромолекул». J. Phys. Soc. JPN. 75 (11): 110041–11004112. Bibcode:2006JPSJ ... 75k1004R. Дои:10.1143 / JPSJ.75.111004.
  10. ^ Жакро, Б. (1976). «Исследование биологических структур методом рассеяния нейтронов из раствора». Отчеты о достижениях физики. 39 (10): 911–53. Bibcode:1976RPPh ... 39..911J. Дои:10.1088/0034-4885/39/10/001.
  11. ^ E.L. Хан (1950). «Спиновое эхо». Физический обзор. 80 (4): 580. Bibcode:1950PhRv ... 80..580H. Дои: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. Дои:10.1016 / j.crhy.2007.10.001.
  13. ^ А. Вишневски, М. Монкенбуш, Л. Виллнер, Д. Рихтер и Г. Кали (2003). «Прямое наблюдение перехода от свободного к ограниченному односегментному движению в перепутанных полимерных расплавах». Письма с физическими проверками. 90 (5): 058302. Bibcode:2003PhRvL..90e8302W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.90.058302. PMID  12633402.