Objetivos de ETNA

Este curso de posgrado tiene como objetivo proporcionar a l@s estudiantes una comprensión a nivel general de las técnicas de dispersión de neutrones, incluyendo tanto los principios teóricos como las aplicaciones prácticas. El curso constará de clases teóricas, experimentos y tutoriales de software para garantizar una experiencia de aprendizaje completa.

Al finalizar ETNA se espera que l@s participantes hayan adquirido los conceptos básicos sobre las técnicas de scattering y trasmisión de neutrones. Se habrán familiarizado con las bases teóricas fundamentales, destrezas experimentales y herramientas de análisis necesarias para diseñar y llevar adelante un experimento de dispersión/transmisión de neutrones así como para evaluar críticamente sus resultados y aquellos presentados en la literatura usando estas técnicas. 

Conceptos previos requeridos

ETNA requiere un conocimiento básico previo de algunos conceptos sobre Física Clásica, Física Moderna, Química y Ciencia de los Materiales que se dictan habitualmente en los primeros años de muchas carreras universitarias. Estos conceptos deberán resultar familiares a l@s participantes, para lo cual se ha generado un Aula Virtual para realizar un breve repaso previo al inicio de ETNA.

Los conceptos mínimos necesarios para un abordaje exitoso de la Escuela son: 

• Matemática: Álgebra. Conceptos de cálculo. Probabilidades y estadística.
• Mecánica Clásica: energía cinética, momento lineal, choques elásticos. 
• Ondas. Interferencia. Reflexión y refracción. Radiación electromagnética
• Estructura del átomo: electrones, protones y neutrones. Isótopos. Niveles de energía. Generación, emisión y absorción de Rayos X.
• Dualidad onda-partícula. Relaciones de De Broglie: longitud de onda e impulso, energía y frecuencia. 
• Reacciones nucleares. Decaimientos radioactivos. Radiación ionizante. Interacción de la radiación con la materia. Atenuación de la radiación.
• Estructura de la materia. Uniones químicas. Soluciones. Emulsiones. Estructura cristalina. Planos cristalinos. Ley de Bragg. Micro-estructura. 
• Metodología de la Investigación Científica: experimentos, formulación de preguntas, identificación de hipótesis, interpretación de datos.

Bibliografía de consulta: Estará disponible para l@s participantes en el Aula Virtual de Repaso de Conceptos.

Programa

Ciencia en Grandes Instalaciones. El Laboratorio Argentino de Haces de Neutrones

Definición de instalaciones de gran escala orientadas a la investigación. Ejemplos. Importancia de la infraestructura de gran escala para posibilitar investigación de vanguardia.

Motivación para construir y sostener ciencia en grandes instalaciones. Impacto en avances científico-tecnológicos reales. Abordaje de los desafíos sociales actuales. Promoción de interdisciplinariedad, colaboraciones, intercambio de saberes. Beneficios en términos de innovación y de derrame económico, industrial. 

Desafíos: consideraciones financieras, complejidad tecnológica, desafíos de la ingeniería. Sustentabilidad: operación, mantenimiento, red colaborativa, gobernanza. 

Internacionalización: asociatividad, redes globales de colaboración, ligas mayores, diplomacia científica, inversiones multinacionales. Ejemplos e iniciativas.

Tendencias, tecnologías emergentes. Integración de grandes instalaciones con Big Data, AI y computación de alta prestación.

El LAHN en el contexto de las Grandes Instalaciones.

Neutrones, fuentes de neutrones y técnicas neutrónicas

Presentación general de fuentes de neutrones basadas en reactores y en aceleradores. Características de los haces de neutrones generados en cada caso. Manipulación y conformación de haces de neutrones para diferentes requerimientos experimentales.

Interacción de los neutrones con la materia: TEORÍA DE SCATTERING

Tipos de interacción. Fenómenos de absorción, dispersión, reflexión y transmisión. Fenómenos de scattering: scattering elástico, scattering inelástico, scattering difuso, scattering de bajo ángulo. Conceptos de sección eficaz. Generalidades sobre la información obtenida en cada caso.

Configuraciones experimentales - Instrumentación neutrónica - Preparación y entornos de Muestra.

Abarca hardware, software y diseños experimentales que permiten realizar estudios basados en haces de neutrones. Componentes ópticos fundamentales: guías, colimadores, monocromadores y analizadores. Su impacto en el control de parámetros físicos de interés: energía incidente, dirección, longitud de onda, distribución de energías. Tipos de detectores y su impacto en la calidad de datos y tiempo de medición. Relación con los requerimientos de las diversas técnicas.

Entornos de muestra. Control de las condiciones termodinámicas de una muestra durante un experimento. Criterios de selección de diversos entornos de muestra.

Sistemas de adquisición de datos, fundamentos generales. Iniciativas más generalizadas.

Aspectos de configuración: resolución instrumental, relación señal-ruido, resolución temporal, calidad de datos. 

Procedimientos de alineación y calibración.

Dispersión por Materiales Cristalinos

Sección eficaz elástica coherente e incoherente. Arreglos periódicos de centros dispersores. Factor de estructura y red recíproca.

Aspectos experimentales – instrumentación: difractómetros en reactores (CW) y en aceleradores (ToF). Tipos de difractómetros, componentes principales y su impacto en un experimento.

Difracción de Neutrones 

Difracción de materiales policristalinos / polvos

Difracción de Neutrones y Estructuras Magnéticas

Difracción de materiales policristalinos / objetos

Difracción con resolución espacial

Análisis de tensiones y texturas

Talleres: Taller de Método Rietveld para análisis de difracción de polvos / Taller de tratamiento de datos de medidas de tensiones residuales en Objetos

Experimento: (Tensiones residuales en muestras macroscópicas)

SANS

Vector de scattering. Variación de contraste. Forma y tamaño de partículas: impacto en su difracción a pequeño ángulo. 

Régimen de Guinier. Relevancia. Formulación matemática e interpretación de datos. Ejemplos.

Ley de Porod. Relevancia. Formulación matemática, relación con la estrucutura. Interpretación de datos. Ejemplos.

Ajuste de modelos y estimación de parámetros. Calibración y normalización de datos.

Aspectos experimetales de SANS. Colimación, preparación de muestras. Concentración de muestras. Optimización de setup para diversos experimentos.

SANS con resolución temporal y con variación de temperatura. Técnicas complementarias (SAXS, USANS)

Experimento de SAXS y USAXS

Taller-tutorial de tratamiento de datos de SANS

Técnicas de Imágenes

Introducción a las técnicas de imágenes como no-destructivas. Comparación con otras radiaciones. Ventajas de la interacción de los neutrones con la materia para su aplicación en imágenes. Impacto de la energía de los haces de neutrones en las capacidades de la técnica.

Transmisión de Neutrones: Principios y Aplicaciones. Mecanismos de contraste. Neutrografía. Ejemplos.

Tomografía de Neutrones. Imágenes 3D y métodos de reconstrucción. Combinación con mapeo de difracción.

Aspectos instrumentales. Diseño y componentes, tipos de detectores, óptica y colimación: impacto en la resolución y en el contraste.

Aplicaciones en Ciencia de Meteriales, ingeniería de componentes, tejidos biológicos, drug-delivery, patrimonio cultural y paleontológico.

Experimento de Neutrografía en el reactor RA3

Taller-tutorial de tratamiento de datos y reconstrucción tomográfica

Introducción a la Reflectometría

Principios de la reflexión de neutrones. Reflectividad de Fresnel. Perfiles de reflectividad. Métodos de variación de contraste

Determinación de espesores, rugosidad y propiedades interfaciales.

Arreglo experimental para muestras sólidas y líquidas. Selección de sustratos, tamaño de muestras. Alineación. Efectos de rugosidad e interfaciales.

Modelado y extracción de información estructural.

Reflectometría de Neutrones Polarizados. Tipos de polarizadores y analizadores.

Reflectometría no-especular y de incidencia rasante.

Experimento de Reflectometría de RX

Taller-tutorial de tratamiento de datos de reflectometría

 Dispersión Inelástica de Neutrones

Importancia de INS en el estudio de la dinámica de la materiales. 

Principales fundamentos para estudiar excitaciones y transferencias de energía. Reglas de selección.

Diferentes instrumentos y técnicas de INS. Descripción de espectrómetros.

Técnicas de adquisición de datos, sustracción de background, y otras correcciones.

Reducción de datos para espectros de INS. Resolución instrumental 

Aplicaciones en materia condensada, ciencia de materiales, sistemas moleculares, etc.

Charlas Invitadas:

A cargo de especialistas con experiencia en uso de técnicas neutrónicas, se presentarán ejemplos actuales de temas de investigación en curso, señalando avances novedosos en el área en cuestión.

Pueden incluir:

• Aplicaciones de TN en Biología y Materia Blanda
• Aplicaciones de TN en Ciencia de Materiales
• Aplicaciones de TN en Energía

Taller de Propuestas

L@s talleristas presentan una guía básica para escribir propuestas efectivas. Ejemplos reales, identificación de aspectos clave, sugerencias.

Presentación y familiarización con plataformas de envío de propuestas. Mecanismos de presentación.

Dividid@s en grupos de 3, l@s participantes seleccionan un problema científico real y realizan la simulación de una presentación de propuesta. Deberán seleccionar una técnica, un centro al cual aplicar, un instrumento real con sus características y diseñar un plan experimental con una exhaustiva justificación.

La propuesta deberá ser defendida y será evaluada por un panel de docentes. Su calidad impactará en un 60% de la aprobación general de ETNA.

Bibliografía recomendada

https://www.ill.eu/fileadmin/user_upload/ILL/1_About_ILL/Documentation/NeutronDataBooklet.pdf

https://www.ncnr.nist.gov/summerschool/ss16/pdf/NeutronScatteringPrimer.pdf

Sivia, Deviderjit Singh. Elementary scattering theory: for X-ray and neutron users. Oxford University Press, 2011.

Squires, Gordon Leslie. Introduction to the theory of thermal neutron scattering. Courier Corporation, 1996.

Lovesey, Stephen W. "Theory of neutron scattering from condensed matter. Vol. 1. Nuclear scattering." (1984).

Practical Neutron Scattering at a Steady State Neutron Source, Tom Heitmann & Wouter Montfrooij