УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНСТАНТЫ РАСПАДА НЕЙТРОНА
DEVICE FOR MEASURING NEUTRON DECAY CONSTANT

Устройство относится к области экспериментальной ядерной физики, в частности к устройствам для изучения распада нейтрона, включая измерения константы распада и корреляций вылета продуктов распада.
Известны предложения и устройства для измерения так называемой Р-нечетной (пространственной) корреляции в распаде поляризованного нейтрона [1]. В этих устройствах с помощью магнитного поля, создаваемого соленоидом, электроны распада, вылетевшие по и против направления спина нейтрона, направляются к детекторам, которые регистрируют скорости счета электронов в зависимости от направления импульса электронов. Затем измеряют скорости счета при изменении поляризации пучка нейтронов относительно поля. Результатом является асимметрия вылета электронов относительно спина распавшихся нейтронов. Недостатком магнитного поля соленоида в данных устройствах является наличие систематических погрешностей, связанных с неоднородностью поля вдоль оси соленоида, вызывающей эффект магнитного зеркала, искажающий естественную асимметрию распада. Для измерения константы распада соленоидальные магниты не использовались.
Наиболее близким к предлагаемому решению по совокупности признаков является безжелезный магнитный диполь, выполненный в форме двух вытянутых параллельных обмоток, расположенных симметрично относительно центральной плоскости, лобовые части которых отогнуты в противоположные от центральной плоскости стороны [2]. Указанное устройство применялось для управления пучками заряженных частиц.
Известно устройство для измерения константы распада (времени жизни) нейтрона, содержащее электромагнит с плоскими параллельными полюсами, вдоль которых установлены пластины сцинтилляционных счетчиков электронов, оптический сигнал с которых считывается с помощью световодов и фотоумножителей [3]. Это устройство устанавливается на сформированный пучок нейтронов так, что плоскости полюсов магнита и пластины сцинтилляторов параллельны оси пучка, а электроны от распада нейтронов транспортируются с помощью магнитного поля к пластинам. Недостатком этого решения является отсутствие признаков, позволяющих поляризовать пучок нейтронов и измерить степень поляризации пучка. Отсутствие информации о степени поляризации пучка и невозможность управлять поляризацией (например, деполяризовать пучок) приводят к систематической погрешности, превышающей статистическую погрешность. Кроме того, тип магнита (плоские параллельные полюса) ограничивает просматриваемую область пучка, поскольку от размеров полюсов зависят вес и габариты магнита. В случае использовании электромагнита это приводит к проблеме роста габаритов всей установки. Кроме того, необходимость выноса фотоумножителей из области магнитного поля приводит к потере информации на сужениях световодов. Это устройство наиболее близко по совокупности признаков к заявляемому техническому решению и принято за прототип.
Целью предлагаемого устройства является повышение точности определения константы распада, расширение функциональных возможностей при исследовании параметров распада поляризованного нейтрона, повышение технологичности и компактности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве:
- электромагнит установлен вдоль оси канала пучка нейтронов между поляризатором нейтронов и анализатором поляризации;
- электромагнит выполнен в виде двух горизонтально вытянутых соосных сомкнутых обмоток, симметрично расположенных относительно вертикальной плоскости; лобовые части обмоток отогнуты вправо и влево от плоскости симметрии;
- внутри обмоток размещена плоская вакуумная камера с торцевыми фланцами для подключения к нейтроноводу, содержащая два набора сцинтилляционных счетчиков электронов, установленных симметрично относительно вертикальной плоскости;
- обмотки, за исключением лобовых частей, окружены железным магнитопроводом, состоящим из верхней и нижней симметричных С-образных частей, в зазоре между которыми расположены боковые фланцы вакуумной камеры.
Устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически показан вид устройства сверху, на фиг.2 показано вертикальное сечение узла электромагнита в сборе с вакуумной камерой, на фиг.3 показан вид узла магнита с камерой со стороны торцевого фланца для подключения к нейтроноводу.
Устройство размещается на пучке 1 нейтронов и включает поляризатор 2 нейтронов, анализатор 2 поляризации пучка, узел 4 сборки электромагнита с вакуумной камерой. Узел 4 состоит из двух С-образных магнитопроводов 5 и 6, охватывающих сверху и снизу две сомкнутые обмотки 7 и 8, лобовые части которых отогнуты влево и вправо от вертикальной плоскости симметрии устройства. Внутри обмоток электромагнита расположена плоская вакуумная камера 9 с боковыми патрубками и фланцами 10 и 11, обеспечивающими доступ к сцинтилляционным секционированным детекторам 12 и 13 электронов. Технологические детали крепления обмоток к магнитопроводам, установочные и котировочные элементы для установки устройства на канал нейтронов и др. вспомогательные детали не показаны. Обмотки содержат каналы для подачи охлаждения и подключены к системе охлаждения магнита (воздушной или водяной). Вакуумная камера 9 подключается к нейтроноводу с помощью торцевых фланцев 14. Детекторы 12 и 13 содержат сцинтиллирующие пластины из прозрачного пластика, в каналах которых уложены оптоволоконные элементы, подключенные торцами к фотодиодам на основе кремния. Эта особенность регистрации обеспечивает работоспособность в магнитном поле. Вакуумная откачка объема камеры 9 может производиться через один из патрубков 10 или 11 с помощью высоковакуумных насосов произвольного типа.
Устройство работает следующим образом. Узел 4 электромагнита с камерой устанавливают на канал нейтронов, подключают к нейтроноводу в разрыве между поляризатором 2 нейтронов и анализатором 3 поляризации. Юстируют положение камеры, добиваясь соосности пучка и камеры. Включают электромагнит. С помощью поляризатора и анализатора обеспечивают поляризацию пучка вдоль направления магнитного поля. При вводе пучка нейтронов через окно 14 можно осуществить сбор электронов от распавшихся при пролете камеры нейтронов и зарегистрировать их с помощью детекторов 12 и 13, расположенных внутри камеры 9. Если пучок нейтронов поляризован вдоль поля, то детекторы 12, например, регистрируют электроны, вылетевшие по спину распавшихся нейтронов, а детекторы 13 - против спина. Если с помощью дополнительного спин-флиппера, входящего в комплект поляризатора, изменить ориентацию спина на противоположную, то роль детекторы 12 будут регистрировать электроны, вылетевшие против спина, а детекторы 13 - по спину. Это создает условия для контрольных экспериментов при измерении асимметрии вылета электронов относительно спина нейтронов. Тогда, измеряя количества зарегистрированных частиц, можно подсчитать асимметрию испускания указанных частиц распада.
Помимо измерения корреляций устройство обеспечивает условия для определения времени жизни нейтрона с помощью метода вариационной настройки шкалы распада [4], что предполагает использование вариатора 15 потока нейтронов, который устанавливают на пучке до устройства. Вариатор обеспечивает изменение потока нейтронов ступенями, кратными начальному шагу.
Новизна заключается в применении магнитного диполя на пучке нейтронов в совокупности с поляризатором нейтронов, что позволяет использовать новый метод измерения константы распада и одновременно измерять электрон-спиновую корреляцию распада нейтрона.
Существенные отличия новой совокупности признаков приводят к новому результату - расширению функциональных возможностей устройства для измерения константы распада и росту точности результата.
Устройство работоспособно, что следует из приведенной ссылки [4], где способ обоснован теоретически и проверен экспериментально на малых скоростях счета электронов, истекающих из области с магнитным полем, где происходит распад нейтронов. Там же показан уровень точности и способа и устройства.
Экономическая эффективность проявляется при сравнении эксплуатационных расходов на проведение экспериментов для достижения заданной точности. По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция устройства обеспечивает более высокую точность, возможность контрольных экспериментов, одновременное измерение асимметрии распада и констант распада в избранных направлениях относительно спина нейтрона. Возможно использование устройства с источником нейтронов типа Д-Т генератора типа НГИ. Метод вариационной настройки шкалы распада обеспечивает высокую точность при длительных экспериментах, но заведомо малой скорости счета электронов, что соответствует диапазону первого-второго порядка для числа нейтронов, находящихся в поле видимости детекторов. Это дает возможность поставить прецизионные эксперименты по распаду в сравнительно небольших помещениях при малых расходах на персонал, малом энергопотреблении. Габариты устройства вместе с источником нейтронов и физической защитой не превысят 3-5 метров в длину и 2 м в высоту.
Список литературы.
1. Dubbers D. et.al. Europhys. Lett. 1990, 11(3), 195.
2. Е.Я.Казовский, В.П.Карцев, В.Н.Шахтарин. Сверхпроводящие магнитные системы. Л.: Наука, 1967, с.272-273.
3. C.J.Christensen, A.Nielsen, A.Bahnsen, W.K.Brown, B.M.Rustad. Phys. Rev. 1972, D5, #7, p.1628
4. B.B.Васильев. Физическое решение k линейных уравнений с (k+1) неизвестными в распаде нейтрона. Препринт ИТЭФ №8, Москва, 2007, индекс 3649.