СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА ПЕРЕДАННОГО ИМПУЛЬСА НЕЙТРОНОВ
METHOD OF MEASURING SPECTRUM OF TRANSMITTED NEUTRON PULSE

Настоящее изобретение относится к области исследований конденсированных сред нейтронами, в частности методики диагностики неоднородного состояния или низкочастотной динамики среды, что важно для установления соответствия физических свойств среды ее микроструктурным и динамическим характеристикам.
Известен способ измерения спектра колебаний конденсированной среды с помощью спектрометров неупругого рассеяния нейтронов в прямой и обратной геометриях [1]. Сущность способа измерений заключается в измерении энергии и импульса нейтрона до его рассеяния на исследуемом объекте и после рассеяния. При этом нижняя граница измеряемого частотного спектра колебаний вещества составляет 100 ГГц.
Известен способ нейтронной спин-эхо спектрометрии измерения спектра колебаний конденсированной сред или спектра корреляционной длины неоднородного состояния среды, являющийся прототипом [2]. Сущность способа измерений заключается в измерении спектра переданного нейтрону импульса, являющегося разностью импульсов нейтронов после и до их рассеяния. Для измерений спектра переданного нейтрону импульса измеряют для каждого нейтрона фазу прецессии его магнитного момента в магнитном поле до исследуемого образца и фазу прецессии нейтрона в магнитном поле после его рассеяния на исследуемом образце. В спин-эхо спектрометре, реализующем способ-прототип, границы магнитного поля ориентируют перпендикулярно направлению начального вектора импульса нейтрона. Из разности фаз прецессии нейтронов, образуемых в областях магнитного поля до и после образца, определяют спектр переданного импульса нейтрона, из которого определяют спектр колебаний среды или спектр длины корреляции неоднородного состояния. Недостатком прототипа являются низкая чувствительность измерений спектра колебаний, что не позволяет регистрировать низкочастотные килогерцовой частоты колебания в среде. В настоящее время чувствительность спектрометров такова, что измеряемый диапазон частот имеет нижнюю границу 10-100 МГц. Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность измерений спектра корреляционной длины неоднородного состояния. В настоящее время измеряемый диапазон измерения корреляционной длины имеет максимальную границу 10 мкм. Недостатком прототипа является невозможность исследований поверхностного слоя вещества.
В предлагаемом способе измерения спектра переданного импульса нейтронов, включающем прецессию магнитного момента нейтронов в двух областях магнитного поля до исследуемого образца и после с антипараллельным взаимным направлением магнитных полей в них и измерение разности фаз прецессии, образованных в этих областях, нейтроны отражают от границ областей магнитного поля, фазу прецессии создают перпендикулярной к границам магнитных областей компонентой импульса нейтрона, при этом, границы областей создают магнитными зеркалами с векторами намагниченности в них параллельными друг другу и направленными по отношению к направлению вектора напряженности магнитного поля под углом, близким или равным 90 градусам.
Работа спин-эхо спектрометра нейтронов состоит в следующем. Фаза прецессии φ пропорциональна напряженности магнитного поля H, протяженности магнитного поля d и обратно пропорциональна волновому вектору (импульсу) нейтрона k
2
где p=(2mµ/ħ), m и µ есть масса и магнитный момент нейтрона, соответственно, ħ - постоянная Планка.
эхо
Чувствительность спин-эхо спектрометра к изменению волнового вектора δk в результате рассеяния нейтронов на исследуемом объекте-образце определяется величиной спин-эхо длины L
2
эхо
где δΔφ=-ρ(Hd)(δk/k)=-Дδk.
эхо
⊥
эхо
⊥
⊥
⊥
⊥
2
4
5
Как следует из (2), с уменьшением k квадратично увеличивается L, определяющая чувствительность. В случае, когда плоскость магнитного зеркала ориентирована под малым углом θ≈0.003 к направлению волнового вектора нейтронов для перпендикулярной компоненты, имеем k=k×sin(θ) и L=ρ(Hd)/k . В этом случае, из-за малого значения k≈0.003k чувствительность определения δk возрастает по сравнению с чувствительностью в определении δk в порядка 10-10 раз.
⊥
эхо⊥
В случае, если передача δk связана с передачей энергии E=ħω, где ω - циклическая частота колебаний, в направлении "⊥", чувствительность к измерению переданной энергии определяется спин-эхо временем t=δΔφ/ω.
⊥
⊥
Спин-эхо время, как следует из (3), с уменьшением k возрастает еще в большей, а именно третьей степени k.
⊥
Таким образом, использование k вместо k позволяет увеличить чувствительность измерений импульса в направлении перпендикулярно границам магнитных областей. Нижняя граница измеряемого частотного диапазона в этом случае составляет единицы килогерц, а верхняя граница измеряемой корреляционной длины 100 мкм.
⊥
⊥
i
f
+
-
В спин-эхо спектрометре, реализующем данный способ измерений, в качестве границ магнитных областей используются магнитные зеркала. Нейтрон отражается от первого зеркала, в результате чего для плюс и минус спиновых состояний нейтрона появляются соответственно две компоненты волнового вектора k  и k . Это приводит к прецессии магнитного момента. При отражении нейтронов от второго зеркала происходит проецирование вектора поляризации нейтронов на направление вектора индукции магнитного поля во втором зеркале, что соответствует периодической зависимости интенсивности отраженных нейтронов от волнового вектора. На Рис. 1. показаны две схемы устройств, реализующих данный способ измерений. В первой области Рис. 1 - магнитное поле H1, во второй Н2=-Н1 - намагниченность зеркал М1 и М2=-М1. Пучок нейтронов "n" с волновым вектором k направлен под углом скольжения к зеркалам θ, после рассеяния нейтрона на образце угол скольжения σ.
Схема а) используется для измерений частотного спектра колебаний и спектра корреляционной длины в объеме исследуемого объекта. В первом случае переданный импульс направлен в направлении пучка нейтронов, во втором случае - перпендикулярно направлению пучка. Схема б) используется для исследований поверхностного слоя. В этом случае глубина исследований поверхностного слоя благодаря малому значению перпендикулярной компоненты импульса нейтронов находится в диапазоне 1-100 нм. Возможность исследований поверхности или слоистой структуры на глубину до 100 нм в устройстве по схеме Рис. 1б является третьим положительным эффектом предложенного способа.
На Рис. 2 показаны зависимости интенсивностей нейтронов, прошедших через систему двух зеркал нейтронов (кривая 1 - для направления "первое зеркало-второе зеркало", кривая 2 - для направления "второе зеркало-первое зеркало") при магнитном поле H=18 Э, d=0.5 мм и θ=7 мрад. Периодические зависимости демонстрируют прецессию нейтронов в области между зеркалами.
Таким образом, в данном способе измерений и в спин-эхо спектрометре, реализующем данный способ, достигается увеличение чувствительности измерений переданного импульса нейтрона, что позволяет соответственно исследовать неоднородности в конденсированной среде вплоть до крупномасштабных с корреляционной длиной до 100 мкм и низкочастотные колебания конденсированной среды с нижней частотной границей 1 кГц. Для достижения таких значений параметров магнитное поле в устройстве должно быть величиной порядка 1 кЭ, а зазор между зеркалами составлять d=10 мм. В данном способе доступны исследования как объемных, так и поверхностных свойств конденсированной среды.
Литература
1. Уиндзор К.// Рассеяние нейтронов от импульсных источников. М.: Энергоатомиздат, Москва, 1985, 353 с.
2. Mezei F.// Z. Phys. 1972. V. 255. P. 146.