Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ

УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ

УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ - медленные нейтроны со скоростями с кинетич. энергией эВ (см. Нейтронная физика). Характерной особенностью У. н. является их способность к полному отражению от поверхности мн. материалов при любых углах падения (см. Нейтронная оптика). Полное отражение У. н. от стенок позволяет хранить их в течение неск. минут внутри замкнутых вакуумированных камер в виде своеобразного нейтронного газа. Термин "У. н." объясняется тем, что примерно такой же энергией обладают молекулы газа при темп-ре T~10^-3 К.

Рис. 1. Эффективный потенциал (заимодействия ультра холодных нейтронов со средой.

Эффективный потенциал. Все специфич. свойства У. н. могут быть объяснены с помощью т. н. эффективного (или оптич.) потенциала U _эфф. Этот потенциал можно трактовать как среднее по всему занимаемому средой объёму значение реального потенциала нейтрон-ядерного взаимодействия (рис. 1). В физике медленных нейтронов в качестве потенциала нейтрон-ядерного взаимодействия используется точечный к в а з и п о т е н ц и а л Ф е р м и:

где т - масса нейтрона, - дельта-функция, r₀ - радиус-вектор ядра, а множитель b, называемый к ог е р е н т н о й д л и н о й р а с с е я н и я на связанном ядре, определяется экспериментально из сечения рассеяния s_p медленных нейтронов на данных ядрах согласно соотношению

Для среды с плотностью ядер N усреднение квазипотенциала Ферми по объёму даёт простое выражение для эфф. потенциала:

Основанием для введения такого усреднённого потенциала можно считать тот факт, что нейтроны с длиной волны де Бройляl, превышающей межатомные расстояния, взаимодействуют сразу с большим кол-вом ядер и не ощущают дискретности среды.

Для большинства ядер b>0 и соответственно положителен их эфф. потенциал U _эфф. Чтобы проникнуть из вакуума внутрь среды, нейтроны должны преодолеть отталкивающее действие этого потенциала. Если энергия нейтронов

то они не могут пройти из

вакуума в среду и полностью отражаются при любых углах падения _гр и u _гр - т. н. граничные энергия и скорость У. н. для данного материала). Эфф. потенциал U _эфф обусловлен чисто ядерными силами и связан с сильным взаимодействием, обычно характеризующимся энергиями в десятки МэВ. Однако из-за короткодействия ядерных сил и малого объёма, занимаемого ядрами в обычном веществе, величина U _эфф, играющая роль работы выхода при переходе нейтрона из вакуума внутрь среды, оказывается крайне малой (~10^-7 эВ). В табл. приведены значения эфф. потенциалов для ряда материалов. Небольшое кол-во веществ имеет отрицат. эфф. потенциал. При падении из вакуума У. н. частично отражаются от притягивающего потенциала этих веществ и частично проникают внутрь материала, где двигаются с большей скоростью:

(uи u _ср - скорости нейтрона в вакууме и среде).

Эфф. потенциал связан с показателем преломления n нейтронной волны в веществе соотношением

Оба способа описания взаимодействия нейтронов со средой- через эфф. потенциал или с помощью показателя преломления нейтронной волны - эквивалентны. Так, полное отражение У. н. при аналогично отражению света от металлич. зеркала (показатель преломления мнимый). Практически, однако, поведение У. н. удобнее рассматривать, решая Шрёдингера уравнение с потенциалом U _эфф(r), учитывая также часто существенные для столь медленных нейтронов потенциалы гравитационного (z - высота) и магнитного - магн. момент нейтрона, В- магн. индукция) полей. В частности, У. н. в гравитац. поле не могут преодолеть перепад высот >2 м.

Конечная величина U _эфф приводит к тому, что отражение У. н. сопровождается их частичным проникновением в среду на глубину

Находясь внутри материала, У. н. могут либо быть захвачены ядрами, либо приобрести дополнит. энергию порядка за счёт процессов неупругого рассеяния нейтронов на фононах. Возникающие при этих процессах потери нейтронов описываются добавлением к эфф. потенциалу малой мнимой части, к-рую принято выражать безразмерным параметром (см. табл.)

Эффективные потенциалы, граничные скорости и де-бройлевские длины волн [l _А = h/(mv _гр)] для некоторых материалов

В силу оптической теоремы мнимая часть длины рассеяния

где s _полн- полное сечение взаимодействия нейтронов с материалом. При малых скоростях нейтронов доминирующими процессами являются захват и неупругое рассеяние нейтронов, сечения к-рых следуют т. <н. з а к о н у 1/u. Поэтому параметр h не зависит от скорости У. н. и для большинства материалов равен 10^-4-10^-5. Вероятность поглощения или нагрева У. н. при однократном отражении от поверхности материала hu/u _гр, т. <е. до своего исчезновения У. н. могут испытать более 10⁵ столкновений со стенкой (границей).

Получение У. н. осуществляют путем выделения медленной компоненты максвелловского спектра тепловых нейтронов, выходящих из замедлителя ядерного реактора. В таком спектре поток У. н. с энергией составляет

Здесь F -полный поток нейтронов из замедлителя, T- установившаяся в замедлителе темп-pa нейтронного газа. При T= 300 К и = 1,7 · 10^-7 эВ (для меди) Ф _yн = 0,6^.10^-11 Ф, т. <е. У. н. составляют крайне малую часть полного потока нейтронов из реактора. Впервые У. н. были выделены Ф. Л. Шапиро в 1968 т. н. методом времени пролёта на импульсном реакторе.

При полном потоке нейтронов Ф=10¹⁴ нейтрон/см ²·с, характерном для обычного исследовательского ядерного реактора, поток У. н. составит 600 нейтрон/см ²·с, а их плотность в установленной рядом с замедлителем ловушке r= 16Ф _ун/3u=0,54 нейтрон/см ³. В медной ловушке объёмом ~ 1 л может быть накоплено ок. 500 нейтронов, после чего ловушку можно вынуть из реактора и зарегистрировать накопленные нейтроны в низкофоновом помещении. Такой способ получения У. н. носит демонстрац. характер и при своей реализации наталкивается на техн. трудности, связанные с созданием механич. затворов и высокой активацией ловушки вблизи активной зоны реактора.

Рис. 2. Получение ультрахолодных нейтронов (горизонтальные каналы): 1-активная зона реактора; 2-конвертор внутри нейтроновода 3; 4 - изогнутые участки нейтроновода; 5 - детектор нейтронов; 6-защита. Внизу показано расположение кон вертора в нейтроноводе.

Более простой способ извлечения У. <н. из реактора - их вывод от замедлителя за биол. защиту реактора по изогнутому вакуумированному нейтроноводу (рис. 2). В нач. части нейтроновода устанавливается дополнит. замедлитель-конвертор У. н., назначение к-рого состоит в регенерации У. <н. из тепловых нейтронов, облучающих конвертор, поскольку непосредственно из внеш. осн. замедлителя внутрь герметичного нейтроновода У. н. пройти не могут. Для регенерации У. н. необходим конвертор из материала с и толщиной порядка длины свободного пробега У. н. в материале конвертора:

где N- плотность ядер в конверторе. Для водородосодер-жащих веществ Поэтому конвертор представляет собой пластину толщиной ~ 1 мм. Небольшие размеры конвертора позволяют охлаждать его до азотной (77 К) или даже гелиевой (4,2 К) темп-ры, тем самым увеличивая выход У. н. в десятки раз. Выбор материала для конвертора представляет особую задачу, поскольку этот материал должен удовлетворять ряду требований: иметь малый эфф. потенциал, низкое сечение захвата нейтронов, высокую радиационную стойкость материалов. Хорошими материалами для конверторов являются гидрид Zr, тяжёлый лёд, а также жидкие водород и дейтерий.

Изогнутая форма нейтроновода, изготовляемого из электрополированных медных или нержавеющих стальных труб диам. ~ 100 мм, позволяет отфильтровывать У. <н. от высокого фона быстрых и тепловых нейтронов реактора. Необходимый вакуум в нейтроноводе составляет 10^-4 мм рт. ст. Можно получить нейтроновод с пропусканием нейтронов 10-30% при полной длине ~10 м. Хорошо полированные нейтроноводы с высокой зеркальностью (0,99) необходимы для вертикальных или наклонных каналов У. н., в к-рых используется частичное замедление нейтронов гравитац. полем или замедление очень холодных нейтронов (со скоростями 50-100 м/с) спец. механич. системами (турбинами).

Время хранения У. <н. в замкнутых сосудах ограничено временем жизни свободного нейтрона до b-распада с; см. Бета-распад нейтрона), а также процессами радиационного захвата и неупругого рассеяния нейтронов при отражении от стенок сосуда. Практически в сосуде объёмом 50 л можно накопить 10⁵ нейтронов и получить время хранения ~500-800 с.

Рис. 3. Схема эксперимента по поиску электрического дипольного момента нейтрона: 1-клапаны впуска и выпуска нейтронов; 2 - поляризатор; 3 - контур спинового ротатора; 4-камера хранения; 5-детектор.

У. <н. используются для исследования ряда характеристик свободного нейтрона: времени жизни до b-распада, измерения корреляций при распаде нейтрона, поиска элек-трич. дипольного момента и возможного электрич. заряда нейтрона. На рис. 3 приведена схема установки для поиска электрич. дипольного момента нейтрона. У. н. последовательно проходят через поляризатор (см. Поляризованные нейтроны), радиочастотный спиновый ротатор, поворачивающий спины нейтронов на 90^o, и попадают в камеру хранения, где прецессируют с ларморовской частотой в приложенном магн. поле Н(m- магн. момент нейтрона). Параллельно магн. полю накладывается и электрич. поле E. При наличии у нейтрона электрич. дипольного момента d_e частота прецессии должна измениться на величину в зависимости от знака приложенного электрич. поля. За время T хранения нейтронов в камере дополнит. фазовый сдвиг угла прецессии составит Выходя из камеры, нейтроны снова проходят через спиновый ротатор и поляризатор, после чего регистрируются детектором. Кол-во зарегистрированных нейтронов зависит от величины фазового сдвига dj и будет максимальным при совпадении частоты спинового ротатора с частотой прецессии нейтронов в камере. Точность определения частоты прецессии обратно пропорциональна времени пребывания нейтронов в камере, к-рое для У. <н. может достигать времени жизни нейтрона до бета-распада. Полученный с помощью У. н. верх. предел возможного дипольного момента нейтрона составляет ( е - заряд электрона). Др. областями применения У. <н. являются изучение свойств поверхностей разл. материалов, а также создание нейтронного микроскопа (см. Нейтронная оптика).

Лит.: Шапиро Ф. Л., Собрание трудов, [кн. 2]. Нейтронные исследования, M., 1976; Игнатович В. К., Физика ультрахолодных нейтронов, M., 1986. В. И. Лущиков.