Нейтроногра́фия, совокупность нескольких экспериментальных методов исследования структуры и динамических свойств конденсированных сред (кристаллических, жидких, аморфных) на атомном или молекулярном уровне с помощью рассеяния нейтронов низких энергий (характерная энергия ~0.02 эВ, длина волны де Бройля ~2 Å). Физические различия используемых в нейтронографии методов связаны с разными модами взаимодействия нейтронов с веществом, основными из которых являются сильное (между нейтроном и ядром) и дипольное магнитное (между магнитными моментами нейтрона и атома). Вследствие этих взаимодействий возможно ядерное или магнитное, упругое или неупругое рассеяние нейтрона в веществе, кроме того, сильное взаимодействие ответственно за возможное поглощение (абсорбцию) нейтрона ядром. Помимо разделения рассеяния нейтронов на упругое (без передачи энергии) и неупругое (с потерей или приобретением энергии) в сечениях рассеяния можно выделить когерентную и некогерентную компоненты, что связано со спецификой сильного взаимодействия нейтронов с изотопами элементов и с ядром, находящимся в различных спиновых состояниях. Нейтронография является одним из разделов нейтронной физики, её теоретической основой является квантовая теория рассеяния нейтронов низких энергий. 

Все перечисленные типы рассеяния и поглощение нейтронов используются в современной нейтронографии для получения той или иной информации о конденсированной среде. К настоящему времени сформировалось пять её основных методических разделов, различающихся по кругу научных задач и по организации эксперимента: дифракция, малоугловое рассеяние, рефлектометрия, спектроскопия и интроскопия. В первых трёх разделах в основном используется упругое когерентное рассеяние нейтронов, в интроскопии (радиографии, томографии) – поглощение (в основном) нейтронов, в разделе «спектроскопия» изучается когерентное или некогерентное рассеяние нейтронов с передачей энергии между нейтроном и отдельными атомами или коллективными модами возбуждений среды. Нейтронография используется как для изучения фундаментальных свойств практически всех известных форм конденсированного состояния вещества, от простых жидкостей и кристаллов, до биологических макромолекул, так и для решения материаловедческих задач.

С помощью упругого, когерентного, ядерного рассеяния (дифракции) нейтронов изучается атомная структура вещества, во многом аналогично тому, как это делается в рентгеновском структурном анализе. Если рассеяние происходит на кристалле, то его принято называть брэгговской дифракцией, а соответствующий метод получения информации называют структурной нейтронографией. Она даёт возможность определять разнообразные характеристики атомной структуры кристаллов, такие как их пространственная симметрия, параметры элементарной ячейки, координаты атомов в ней, факторы заполнения кристаллографических позиций, параметры теплового движения атомов. Брэгговская дифракция используется и для изучения организации микроструктуры кристалла, в том числе текстуры, определения уровня микронапряжений в кристаллитах и характерных размеров областей когерентного рассеяния. Второй основной тип рассеяния – магнитное упругое, когерентное – используется для получения информации о типе и симметрии магнитной структуры кристалла, параметрах магнитной элементарной ячейки, а также о направлении и величине магнитных моментов атомов. Этот экспериментальный метод называют магнитной нейтронографией. Если ядерное, когерентное рассеяние нейтронов происходит на веществе, не имеющем дальнего порядка в расположении атомов (жидкость, аморфная среда), то возможно определение некоторых статистических характеристик структуры (ближнего порядка), извлекаемых из корреляционных функций.

С помощью малоуглового рассеяния изучаются крупномасштабные неоднородности среды, которыми являются любые включения в однородную среду, отличающиеся от неё средней величиной сечения рассеяния в бо́льшую или меньшую сторону. Таковыми являются, например, крупные молекулы в растворе или нерассеивающие поры в кристаллической матрице. Из теории дифракции известно, что если R есть характерный размер неоднородности, то интервал углов, в котором сосредоточена интенсивность рассеянного излучения, составляет Δθ ≈ λ/R, где λ – длина волны излучения. Соответственно, если размеры неоднородностей лежат в пределах от 10 до 100 нм, а λ = 0.5 нм, то основная интенсивность рассеяния будет сосредоточена в области малых углов (до 10°), что и определяет название метода. Малоугловое рассеяние относится к структурному методу низкого разрешения, т. е. с его помощью может быть получена информация о каких-то геометрических характеристиках неоднородностей (размер, форма), тогда как положения отдельных атомов остаются неопределёнными.

Основная задача рефлектометрии – измерение зависимости коэффициента отражения излучения, падающего под некоторым углом скольжения на плоскую границу раздела сред, от переданного импульса (вектора рассеяния). Это позволяет восстановить профиль потенциала взаимодействия вдоль нормали к поверхности на глубину до ~10^-5 см. Основным достоинством нейтронной рефлектометрии является возможность изучения магнитных сред. Для этого используется отражение поляризованных пучков нейтронов (с одинаковым направлением их магнитного момента), что даёт возможность изучить поведение вектора локальной намагниченности по глубине слоя. Объектами изучения методом нейтронной рефлектометрии являются поверхности массивных тел (твёрдых и жидких), внутренние (скрытые) границы в системах жидкость – твёрдое тело, тонкие плёнки, нанесённые на подложки, или многослойные тонкоплёночные структуры. Современные рефлектометры позволяют наряду с зеркальным отражением регистрировать дополнительные моды рассеяния (диффузное и малоугловое), что заметно расширяет объём получаемой информации о характеристиках поверхности раздела сред.

С помощью разных видов неупругого рассеяния нейтронов (нейтронной спектроскопии) изучается атомная или магнитная динамика вещества. Когерентное ядерное неупругое рассеяние нейтронов на монокристалле позволяет измерить дисперсионные соотношения, т. е. зависимость частот коллективных мод (фононов) от волнового вектора. Соответствующее магнитное рассеяние даёт возможность получить информацию о дисперсионных соотношениях для магнонов, т. е. коллективных возбуждениях магнитной (спиновой) системы вещества. Некогерентное неупругое рассеяние позволяет определить плотность фононных состояний (фононный спектр), если рассеяние происходит на поликристаллическом веществе, или диффузионные движения атомов, если изучается жидкость. Информация, получаемая при исследовании неупругого рассеяния, напрямую связана с потенциалами взаимодействия между атомами среды.

Метод нейтронной интроскопии (радиографии или томографии) основан на сравнительно слабом взаимодействии нейтронов с веществом, что определяет большую глубину проникновения нейтронов в среду (во много раз превышающую аналогичную величину для рентгеновских лучей) и на большом разнообразии сечений рассеяния и поглощения нейтронов отдельными элементами таблицы Менделеева. Используя разную степень ослабления интенсивности нейтронного пучка при прохождении через материалы различного химического состава, плотности и толщины компонентов изучаемого объекта, можно получить информацию о его внутреннем строении с пространственным разрешением на микронном уровне. Функциональным развитием метода нейтронной радиографии является нейтронная томография. В этом методе выполняется объёмная реконструкция внутреннего строения исследуемого объекта из набора отдельных радиографических проекций, полученных при различных угловых положениях образца относительно направления нейтронного пучка. Это позволяет изучать пространственное распределение компонентов внутри объёмных объектов со сложной внутренней структурой без их разрушения. Последнее обстоятельство особенно важно при изучении объектов культурного наследия или редких палеонтологических образцов.

Достоинства нейтронографии при сравнении её с другими методами, использующими рассеяние волн или частиц, связаны со свойствами нейтрона и с особенностями взаимодействия нейтронов низких энергий с веществом. Основные из них следующие: ядерная амплитуда взаимодействия нерегулярно изменяется от элемента к элементу и от изотопа к изотопу, амплитуды ядерного и магнитного взаимодействий близки по величине, энергия тепловых нейтронов соизмерима с энергиями движений атомов и магнитных моментов в веществе, а их длина волны – с межатомными расстояниями, нейтроны слабо поглощаются в большинстве веществ. Как следствие, нейтронография обладает уникальными возможностями при изучении магнетизма и динамики вещества, а в структурной нейтронографии появляется возможность существенно более точного, чем в рентгеновском структурном анализе, определения положений лёгких атомов, анализа соединений, состоящих из атомов с близкими атомными номерами, и изотопического контрастирования фрагментов структуры. Последнее особенно успешно применяется при изучении биологических объектов и полимеров.

Материаловедческие аспекты применения нейтронографии включают изучение крупноблочных текстур в металлических сплавах и горных породах и измерения величин внутренних деформаций в кристаллических объёмных изделиях. Этому способствуют относительно большие сечения пучков нейтронов и их большая глубина проникновения в основные конструкционные материалы (~3 см в стали, ~10 см в Al). Причём особенности нейтронного эксперимента позволяют изучать как статические деформации, формирующиеся после таких операций, как сварка, прокат, отжиг, закалка, так и деформации, возникающие под воздействием циклических (механических или термических) нагрузок.

Рис. 1. Клиффорд Шалл. Библиотека и архив Нильса Бора, Американский институт физики, Колледж-Парк (штат Мэриленд, США).Рис. 1. Клиффорд Шалл. Библиотека и архив Нильса Бора, Американский институт физики, Колледж-Парк (штат Мэриленд, США).Развитие нейтронографии началось в 1950-х гг. после создания первых мощных ядерных реакторов в США и Великобритании. Первыми были выполнены дифракционные исследования атомных и магнитных структур кристаллов (Э. О. Вуллан, К. Г. Шалл, Дж. Э. Бэкон) и наблюдения взаимодействия нейтронов с тепловыми колебаниями атомов (Б. Брокхауз). Впоследствии, в 1994 г., за заслуги в развитии нейтронографии К. Шалл (рис. 1) и Б. Брокхауз (рис. 2) были удостоены Нобелевской премии. В СССР активные нейтронографические исследования стали развиваться в 1960-х гг. в Курчатовском институте, Москва (Р. П. Озеров, Н. А. Черноплёков, М. Г. Землянов, В. А. Соменков, С. Ш. Шильштейн), в Петербургском институте ядерной физики, Гатчина (Г. М. Драбкин, А. И. Окороков, В. П. Плахтий, В. А. Трунов), в Объединённом институте ядерных исследований, Дубна (Ф. Л. Шапиро, В. В. Голиков, В. В. Нитц, Ю. М. Останевич, И. Сосновска), в Институте физики металлов, Екатеринбург (Б. Н. Гощицкий, А. З. Меньшиков) и в филиале Физико-химического института им. Л. Я. Карпова, Обнинск (Р. П. Озеров, Л. Е. Фыкин), после создания в этих центрах источников нейтронов.Рис. 2. Бертрам Брокхауз. Библиотека и архив Нильса Бора, Американский институт физики, Колледж-Парк (штат Мэриленд, США).Рис. 2. Бертрам Брокхауз. Библиотека и архив Нильса Бора, Американский институт физики, Колледж-Парк (штат Мэриленд, США).

В настоящее время нейтронографические исследования проводятся в крупных научных центрах на двух типах исследовательских источников – стационарных с постоянным во времени потоком (в основном это специализированные ядерные реакторы) и импульсных (в основном это источники на основе протонных ускорителей с мишенью, работающие на частоте 20 – 100 Гц). Всего в мире насчитывается около 20 нейтронных центров, в которых развивается нейтронография. Основными зарубежными центрами являются: Международный институт Лауэ – Ланжевена (Гренобль, Франция), Ок-Риджская национальная лаборатория (Ок-Ридж, США), Лос-Аламосская национальная лаборатория (Лос-Аламос, США), FRM II (Гархинг, Германия), PSI (Виллиген, Швейцария), RAL (Чилтон, Великобритания), NIST (Гейтерсберг, США), J-PARC (Ибараки, Япония), ANSTO (Сидней, Австралия), DHRUVA (Мумбаи, Индия).