СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ МЕДЛЕННЫХ НЕЙТРОНОВ
METHOD OF MEASURING ENERGY SPECTRA OF POLARISED SLOW NEUTRONS

Предлагаемое изобретение относится к области нейтронной физики, а именно к технике измерений энергетических спектров нейтронов, применяемой как в физических исследованиях, так и в решении ряда прикладных задач с использованием пучков нейтронов и, в частности, пучков поляризованных медленных нейтронов.
В настоящее время наиболее эффективно для измерения спектра нейтронов используется техника времени пролета нейтронов [1] (Землянов М.Г., Черноплеков Н.А. ПТЭ, №5, 40 (1962)). Суть ее состоит в том, что интенсивность пучка нейтронов модулируется таким образом, что образуются нейтронные импульсы (вспышки) малой длительности (порядка микросекунд), в которых присутствуют нейтроны всего спектра скоростей или длин волн. Нейтроны вспышки пролетают определенное расстояние L до детектора за время t, соответствующее их скорости v. Началом отсчета времени является момент образования вспышки. Время прихода нейтронов вспышки в детектор фиксируется многоканальным анализатором. Анализ времен повторяется со следующей вспышкой и т.д. и результаты измерения от вспышек суммируются в каналах временного анализатора. В результате измеряется времяпролетный спектр нейтронов, т.е. распределение нейтронов по скоростям N=f(v) или по длинам волн N=f(λ), т.к. v=L/t=h/mλ (h - постоянная Планка, m - масса нейтрона, а λ - длина волны нейтрона). Вспышка (модуляция) производится с помощью вращающегося диска (Ферми-прерыватель) из поглощающего нейтроны материала со щелями или массивного ротора с пакетом щелей. Щели определенной ширины могут периодически повторяться на диске или быть разной ширины, статистически расположенные на нем (статистический или Фурье-прерыватель). Глубина модуляции (отношение "эффект-фон") в этом способе определяется качеством механического прерывателя, а именно способностью перекрывать (поглощать) пучок нейтронов в промежутке между щелями. Этому способу присущ ряд недостатков:
1. большие габариты и вес прерывателей, что сильно ограничивает мобильность их использования,
2. механические вибрации, сказывающиеся на точности измерения спектров,
3. сложная система стабилизации оборотов прерывателя в точных измерениях спектров,
4. сложность изменения параметров прерывателя при изменении времяпролетной базы.
Внедрение в практику нейтронных исследований поляризованных медленных нейтронов позволяет отказаться от механического прерывания при измерениях спектров пучков поляризованных нейтронов. Появляется возможность получать модуляцию интенсивности нейтронов посредством модуляции поляризации пучка с помощью магнитных полей (под поляризацией пучка понимается среднее значение спина нейтрона в пучке). Модуляция поляризации, в свою очередь, осуществляется переворотом вектора поляризации Р нейтронного пучка относительно направления ведущего магнитного поля или поля анализатора поляризации. При этом глубина модуляции зависит от степени поляризации и эффективности переворота вектора поляризации. Модуляция интенсивности нейтронов проявляется в том, что анализатор "пропускает" в детектор только нейтроны с определенным направлением поляризации относительно направления его магнитного поля. Для переворота применяются специальные устройства - спинфлипперы, работающие в импульсном режиме.
Известен способ измерения энергетических спектров поляризованных медленных нейтронов, описанный в работе [2] (Н.Rauch, Proc. Panel on Instrumentation for neutron inelastic scattering research, Vienna, 1969 (IAEA, Vienna, 1970, p.181). Модуляция поляризации осуществляется путем применения тока радиочастоты, питающего катушку в течение определенных интервалов времени Δt (порции радиочастотного тока - аналоги импульсов). Такие интервалы периодически повторяются. Способ осуществляется следующим образом.
L
Катушка, питаемая током радиочастоты в течение определенных интервалов времени, помещается в пучок поляризованных нейтронов таким образом, чтобы создаваемое ею переменное магнитное поле h было перпендикулярно ведущему полю Н, необходимому для сохранения степени поляризации в промежутке между поляризатором и анализатором поляризации. В поле Н вектор поляризации Р прецессирует с ларморовской частотой ω, равной
<mrow><msub><mi>Ω</mi><mi>L</mi></msub><mo>=</mo><mi>γ</mi><mi>H</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
4
1
Э·сек
где γ=1.8·10/ - гиромагнитное отношение для нейтрона. Если частота прецессии ω становится равной частоте переменного поля h в катушке, то происходит резонансный переворот поляризации. В зависимости от того как исходно была направлена поляризация относительно ведущего поля, при активации катушки будет наблюдаться либо всплеск (Р>0), либо провал (Р<0) в значении поляризации. Величина этих всплесков и провалов (или глубина модуляции) зависит от величины поля h. В результате поляризация пучка модулируется интервалами Δt. По началу (или концу) действия интервала Δt дается стартовый импульс временному анализатору для начала отсчета времени пролета нейтронов с перевернутыми спинами расстояния от катушки до детектора. Момент достижения нейтронами детектора фиксируется также временным анализатором. Аналогичный процесс происходит в последующие интервалы времени Δt. В результате измеряется распределение нейтронов по скоростям (энергиям).
Описанный способ обладает тем основным недостатком, что наряду со сложностью он применим для измерения спектров лишь квазимонохроматических нейтронов, поскольку переворот спинов нейтронов происходит лишь для нейтронов определенной длины волны (энергии). Это следует из того факта, что время прохождения нейтрона через радиочастотную катушку зависит от его скорости (или длины волны, или энергии).
Известен также способ измерения энергетических спектров поляризованных медленных нейтронов, описанный в работе [3] (G.Badurek, G.P.Westphal, Nuclear Instr. And Methods, 128 (1975) 315).
Операция модуляции поляризации осуществляется с помощью спаренных катушек Мезеи, создающих в них противоположные друг другу магнитные поля, которые перпендикулярны направлению пучка поляризованных нейтронов. Катушки располагаются вплотную одна за другой, оси которых перпендикулярны направлению пучка и направлению ведущего поля. В них одновременно подаются импульсы постоянного тока. За время действия импульса вектор Р прецессирует и совершает в первой катушке пол-оборота вокруг суммарного поля катушки и ведущего поля. Это суммарное поле направлено под углом 45° к направлению пучка в первой катушке и -45° во второй, в которой он совершает вторые пол-оборота. В результате после прохождения катушек вектор поляризации оказывается противоположным ведущему полю. В этом способе, как и в предыдущем, по началу (или концу) импульса тока включается временная развертка для измерения времени пролета нейтронами с перевернутыми спинами расстояния до детектора с последующим определением энергетического распределения нейтронов.
Этот способ отличается от предыдущего простотой создания модуляции поляризации пучка нейтронов. Однако и он имеет тот основной недостаток, что применим для измерения спектров только монохроматических нейтронов или квазимонохроматических с очень малой полушириной по той причине, что угол поворота вектора поляризации зависит от скорости нейтронов.
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения энергетических спектров поляризованных медленных нейтронов, описанный в работе [4] G.Badurek, Nuclear Instr. and Methods 189 (1981) 543-553.
с
L
с
Он явился логическим развитием описанного выше. Действительно, результирующее воздействие двух спаренных катушек на вектор поляризации эквивалентно действию одной с параметрами (толщина и создаваемое ей поле), достаточными для переворота поляризации. Поэтому и было предложено создавать модуляцию поляризации с помощью одной однослойной катушки прямоугольной формы, питаемой импульсами постоянного тока. Ось катушки, вдоль которой создается поле внутри нее импульсами тока, перпендикулярна направлению пучка и направлению ведущего поля. Вектор поляризации Р прецессирует вокруг суммарного поля Н тока катушки и ведущего поля с ларморовской частотой ω=γ·H. Время t прохождения нейтронов через катушку определяется ее толщиной L и их скоростью v(t=L/v). Угол φ поворота вектора Р для данной скорости нейтронов v за время t есть:
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mi>L</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>=</mo><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>H</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><mi>v</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Подавая в катушку импульсы тока для создания поля, необходимого для переворота поляризации, получают модуляцию поляризации (интенсивности) пучка поляризованных нейтронов и с помощью техники "времени пролета" также измеряется энергетический спектр лишь квазимонохроматических нейтронов, поскольку полный переворот спинов происходит лишь для нейтронов определенной скорости (длины волны, энергии). Для нейтронов иных скоростей угол поворота поляризации будет отличен от 180°, что приводит к искажению спектра, если исходный спектр достаточно широк. Искажения неизбежны также из-за влияния рассеянных полей вне катушки, которые, складываясь с ведущим полем, меняют состояние вектора поляризации, т.е. направление и величина его могут сильно меняться при входе и выходе из катушки.
Эти недостатки присущи и рассмотренному выше способу. Вероятно, из-за этих сложностей реализация указанных способов с катушками для измерения спектров с широким энергетическим распределением нейтронов до сих пор неизвестна. Однако данный способ более прост в реализации его для измерения квазимонохроматических спектров и это, пожалуй, его единственное преимущество.
Таким образом, из сказанного следует, что основными недостатками описанных выше способов измерения спектров поляризованных нейтронов, т.е. их распределения по длинам волн, являются:
1. ограниченная применимость; они применимы для измерения лишь квазимонохроматических распределений;
2. трудности получения хорошего временного разрешения из-за необходимости переключать большие индуктивности и относительно большого времени прохождения нейтронов через активный объем катушек;
3. неизбежная деформация спектров из-за немонохроматичности пучков и влияния рассеянных полей катушек.
Задачей настоящего изобретения является повышение временного разрешения, расширение диапазона измеряемых длин волн тепловых нейтронов и упрощение способа.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения энергетических спектров поляризованных медленных нейтронов, включающем модуляцию интенсивности пучка поляризованных нейтронов (создание вспышки) и измерение времени пролета модулированных нейтронов (нейтронов вспышки), из чего определяют их скорость, или энергию, новым является то, что для создания модуляции пучок поляризованных нейтронов направляют на фольгу, в которую подают импульсы тока для создания резкой границы направления магнитных полей, чтобы обеспечить неадиабатическое прохождение поляризации (она не меняет своего направления в пространстве), одновременно после фольги на пучок прошедших нейтронов действуют дополнительным магнитным полем, чтобы организовать адиабатический поворот поляризации на 180 градусов, и измеряют время пролета каждого модулированного нейтрона фиксированного расстояния «фольга-детектор».
Как уже было сказано выше, недостатком модуляции за счет флиппирующих устройств на основе катушек является относительно большое время пролета нейтронов через их активный объем прежде, чем произойдет переворот спинов нейтронов только одной характерной длины волны, т.е. они по-разному воздействуют на спины нейтронов разных длин волн из пакета, образуемого в результате воздействия импульса тока.
Известно, что идеальным в этом смысле является флиппер, который воздействует на спины всех нейтронов равным образом одновременно. В экспериментах с поляризованными нейтронами для реверса поляризации относительно ведущего магнитного поля в статическом режиме используются устройства, создающие на малой длине пути нейтронов быстрый реверс магнитного поля, т.е. создается резкая граница полей противоположных направлений. Такими устройствами могут служить тонкая пластинка: Phys. Rev. 116 (1959) р 1221 [5], Nuclear Instr. And Methods, 34 (1965) p 88 [6], или набор параллельно расположенных проволочек, по которым протекает постоянный ток Abrahams K., Steinvoll О., Bognaarts P.J.M., Lange P.W., Rev. Scient. Instrum., 33 (1962) p.524 [7]. Однако в динамическом режиме, т.е. когда в эти устройства подаются короткие импульсы тока, они не использовались до настоящего времени. Их применение ограничивалось либо получением пучков с требуемым направлением поляризации относительно ведущего поля (положительное или отрицательное), либо для измерения степени поляризации. В первом случае они работают в режиме постоянного включения (или выключения). Во втором они включаются на определенное время, чтобы измерить число нейтронов с перевернутыми спинами. В их выключенном состоянии за то же время измеряют число нейтронов со спинами по ведущему полю. Из соотношения тех и других нейтронов определяют поляризацию.
Для получения же модуляции поляризации (интенсивности) в заявляемом способе необходимо выполнить 2 операции: 1 - создать порцию (вспышку) нейтронов с перевернутой относительно ведущего поля поляризацией подачей импульса тока и 2 - одновременно обеспечить адиабатический поворот поляризации на направление ведущего поля (или поля анализатора) созданием дополнительного магнитного поля. О реализации этого не было известно. Выполнение же указанных операций обеспечивает лучшее временное разрешение, т.к. приходится переключать значительно меньшие индуктивности (например, у пластины индуктивность в 50-100 раз меньше, чем у простой катушки). Это позволяет создать импульсы тока с более крутыми фронтами, что уменьшает неопределенность во времени пролета нейтронов, т.е. улучшает разрешение. Кроме того, удается расширить диапазон измеряемых длин волн нейтронов, поскольку резкая граница между полями обеспечивает неадиабатическое прохождение ее поляризованными нейтронами всех длин волн, т.е. вектор Р сохраняет свое первоначальное направление в пространстве, несмотря на изменение направления ведущего поля около фольги. Иными словами, одновременный переворот спинов происходит у нейтронов всех длин волн из вспышки при переходе резкой границы полей. Остается провести их адиабатически через пролетную базу до детектора и зафиксировать время прихода в детектор каждого нейтрона вспышки.
Таким образом, в заявляемом способе реализуется иной не описанный нигде ранее принцип модуляции поляризации для измерения энергетических спектров поляризованных медленных нейтронов широкого энергетического распределения с использованием фольги с током в качестве модулятора пучка поляризованных нейтронов и с использованием техники "времени пролета".
Для этого в фольгу подаются периодически повторяющиеся импульсы постоянного тока и одновременно после нее создается магнитное поле с определенным распределением вдоль тракта нейтронов для адиабатического поворота вектора поляризации на 180 градусов к направлению поля анализатора. Такая совокупность операций с достижением желаемого результата (лучшее разрешение, расширение диапазона измеряемых скоростей) не была известна до настоящего времени.
z
На фиг.1 показано расположение фольги с током и распределение магнитных полей относительно системы координат: направление тока через фольгу (стрелки), магнитное поле тока (сплошные линии) и ведущее поле H=4 Э (штриховая линия).
х
На фиг.2 схематично показано дополнительно создаваемое поле Н (штрихпунктирная линия) для плавного поворота суммарного поля на 180°.
х
На фиг.3 показан характерный вид распределения компонент суммарного поля в промежутке "фольга-анализатор" при включении дополнительного поля Н (эксперимент).
На фиг.4 приведена блок-схема эксперимента по измерению спектров поляризованных нейтронов с помощью фольги с током.
На фиг.5 представлен экспериментально измеренный спектр квазимонохроматических нейтронов со средней длиной волны λ=0.23 nm и шириной Δλ/λ=0.02.
На фиг.6 представлены экспериментально измеренные спектры для двух углов отражения поляризатора: а) угол, равный критическому углу отражения, для λ=0.18 nm (линия 1), в спектре присутствуют нейтроны с λ=0.18 nm и λ=0.54 nm), б) угол, немного меньший критического, для λ=0.54 nm (линия 2, присутствуют лишь нейтроны этой длины волны).
На фиг.7 представлен сплошной спектр Максвелла, обрезанный со стороны коротких длин волн (λ≈0.09 nm), измеренный с помощью фольги с током (точки) и с помощью механического прерывателя (кружки).
Способ заключается в следующем.
Пучок поляризованных нейтронов, проходящий в определенном ведущем поле, падает на металлическую фольгу (алюминиевую или медную) (фиг.4). Ее малая толщина (≈0.05 мм) практически не ослабляет пучок и она не нагревается при пропускании импульсов тока, поскольку средний ток за период оказывается малым (порядка 5 А), хотя в импульсе его значение велико и достигает 200-400 А. От специального генератора в фольгу подаются импульсы тока микросекундной длительности, которые создают по обеим ее сторонам магнитные поля противоположных направлений.
Резкая граница между полями обеспечивает неадиабатическое прохождение ее поляризованными нейтронами всех длин волн (реверс поляризации), т.е. вектор Р сохраняет свое первоначальное направление в пространстве, несмотря на изменение направления ведущего поля около фольги.
Первоначально (до фольги) вектор Р имеет направление, противоположное ведущему полю. Это - так называемое положение "темно", поскольку в этом случае анализатор поляризации не отражает нейтроны в детектор. Вернее сказать, отражаются лишь те нейтроны, спины которых ориентированы по полю анализатора, если поляризация не 100-процентная (Р<1), т.е. интенсивность на детекторе будет мала и она явится малым фоном для модуляции. В противном случае (направление Р совпадает с направлением ведущего поля) фоновая интенсивность при модуляции будет большой. Фольгу необходимо питать током такого направления, чтобы магнитное поле тока с входной стороны фольги (куда входят нейтроны) совпадало по направлению с ведущим полем, а с выходной (где они выходят) было противоположно ему. Сила тока в импульсе должна быть такой, чтобы на выходной стороне у самой фольги суммарное поле (поле тока+ведущее поле) было бы противоположно полю анализатора (фиг.1), совпадающему с ведущим.
Поскольку поляризация при прохождении через фольгу своего направления не изменяет, то относительно направления магнитного поля она оказывается перевернутой. Для того чтобы сохранить угол между полем и поляризацией вплоть до анализатора, необходимо осуществить адиабатический поворот поля от направления -Z сразу после фольги до +Z при подходе к анализатору. Для этого достаточно на этом участке "добавить" поле, направленное по оси Х с особым распределением, как показано на фиг.2. В этом случае на этом участке результирующее поле поворачивается в плоскости ZX, и если для самых быстрых нейтронов этот поворот происходит адиабатически, то и для более медленных он тоже адиабатический. Это означает, что такое сочетание операций (создание нейтронной вспышки и одновременное создание дополнительного поля со специальным распределением) обеспечивает полный переворот поляризации и соответственно максимальную глубину модуляции интенсивности нейтронного пучка. Иными словами, в промежутке "фольга-анализатор" спины нейтронов вспышки также плавно, как и поле ("следят" за полем), поворачиваются к направлению поля анализатора, т.е. из положения "темно" перед фольгой переходят в положение "светло" у анализатора.
На фиг.3 показано экспериментально измеренное распределение компонент суммарного поля в промежутке "фольга-анализатор", из которого видно, что поле, действительно, поворачивается на 180°.
Ниже представлены результаты экспериментального измерения спектров пучков поляризованных нейтронов. Схема эксперимента по измерению спектров показана на фиг.4.
Конкретная реализация способа
Способ разработан в ФГБУ «ПИЯФ».
3
В эксперименте использовалась медная фольга с размерами 150×40×0.08 мм. Для получения импульсов тока был разработан и создан генератор, позволявший получать импульсы тока с амплитудой до 400 А микросекундной длительности. Индуктивность фольги составляла 0.8 µГн. Ориентация фольги относительно пучка, направление тока через нее и распределение полей показаны на фиг.1. В промежутке "фольга-анализатор" на расстоянии ~50 см от фольги создавалось магнитное поле с компонентами вдоль Х и Z, так что вектор Н поворачивался на этом расстоянии на 180° к направлению поля анализатора. Поле Н~12 Э и указанная величина расстояния обеспечивали адиабатический поворот спинов нейтронов. В этом случае выполнялось условие адиабатичности [8]:
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mi>ω</mi><mo>/</mo><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mi>H</mi><mi>λ</mi><mo>/</mo><mn>34</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
o
со значением k≈8 для λ≈0.1 нм. Здесь ω - частота прецессии спинов, ω - частота изменения поля, L - длина области поворота поля на 90° (L≈25 см), Н - ведущее поле.
Значения параметров импульса тока при измерении спектров варьировались в следующих пределах:
Ток в импульсе
90-300 А
Длительность импульса
5-10·10<sup>-6</sup> сек
Частота импульсов
10-100 Гц
Время нарастания фронта
0.1·10<sup>-6</sup> сек
ср
С помощью такого прерывателя (модулятора) были измерены спектры пучков поляризованных нейтронов с разным распределением по длинам волн нейтронов. Спектр квазимонохроматического распределения со средней длиной волны λ=0.23 нм и немонохроматичностью Δλ/λ=0.02 показан на фиг.5.
Спектр, характеризуемый наличием нескольких дискретных линий, показан на фиг.6.
Этот спектр получен отражением от кристалла фторфлогопита. Он содержит несколько линий, соответствующих порядкам отражений «n» с последующим отражением их от зеркала-поляризатора. Наиболее интенсивные линии с λ=0.54 нм, λ=0.18 нм и λ=0.108 нм соответствуют нечетным порядкам отражения (n=1, n=3, n=5). Линии, соответствующие четным порядкам, очень слабые (λ=0.27 нм и λ=0.135 нм). При увеличении угла зеркала-поляризатора до значения, немного меньшего критического для λ=0.54 нм, в спектре остается лишь эта линия.
На фиг.7 показан максвелловский сплошной спектр, обрезанный со стороны коротких длин волн при λ≈0.09 нм. Здесь же приведен этот же спектр, измеренный с механическим прерывателем (кружки). Видно удовлетворительное совпадение.
Таким образом, представленные результаты измерений ряда энергетических распределений нейтронов показывает высокую эффективность способа, где модуляция поляризованного нейтронного пучка выполнена на основе фольги с током. Кроме того, они подтвердили высокую мобильность и простоту настройки такого прерывателя пучков поляризованных нейтронов.
Предлагаемый способ измерения спектров поляризованных медленных нейтронов может найти применение в физических исследованиях атомных и молекулярных движений как в магнитных, так и в немагнитных конденсированных средах при измерениях неупругого рассеяния нейтронов, фиксируя при этом изменения первоначального (падающего на образец) спектра нейтронов. В магнитных материалах возможно изучение динамики магнитных моментов атомов, приводящей также к изменению исходного спектра нейтронов. Кроме того, изменение глубины модуляции интенсивности поляризованного пучка (отношение эффект-фон) может служить указанием на присутствие магнетизма в образце.
Литература
1. Землянов М.Г.. Черноплеков Н.А., ПТЭ, № 5, 40 (1962).
2. Н.Rauch, Proc. Panel on Instrumentation for neutron inelastic scattering research, Vienna, 1969 (IAEA, Vienna, 1970) p.181.
3. G.Badurek, G.P.Westphal, Nuclear Instr. And Methods, 128 (1975) 315.
4. G.Badurek, Nuclear Instr. And Methods 189 (1981) 543-553. - прототип
5. Haas R., Leipuner L.B., Adair K.K., Phys. Rev. 116 (1959), р. 1221.
6. Guiko A.D., Trostin S.S., Hudoklin A., Nuclear Instr. And Methods, 34 (1965), p. 88.
7. Abrahams K., Steinvoll 0., Bongaarts P.J.M., Lange P.W., Rev. Scient. Insrtrum, 33 (1962), p. 524.
8. Ю.Г.Абов, А.Д.Гулько, П.А.Крупчицкий. Поляризованные медленные нейтроны. Атомиздат, Москва 1966.