СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЭНЕРГИЙ НЕЙТРОНОВ
NEUTRON ENERGY SMALL CHANGES MEASUREMENT METHOD

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов с помощью прецизионной нейтронной спектрометрии, основанной на использовании метода спин-эхо малоуглового рассеяния.
Метод исследования с использованием спин-эхо спектрометрии заключается в том, что изменение энергии нейтрона определяют по наличию ненулевого спин-эхо сигнала.
-9
Известен способ измерения изменений малых изменений энергии нейтронов с использованием нейтронных спин-эхо спектрометров (НСЭ), описанный в работе [1] (В. Farago. Recent neutron spin-echo developments at the ILL (IN11 and IN15) // Physica B, 268:270-276, 1999). Суть способа такова. Изменение энергии нейтрона определяется по изменению частоты ларморовской прецессии спина нейтрона в магнитных полях до и после рабочей области. В соответствии с методикой, использующей НСЭ, организуют две одинаковые по конфигурации области прецессии - до и после рабочей области. Разница между этими областями прецессии заключается в направлении магнитного поля. В них оно направленно в противоположные стороны, но одинаково по абсолютной величине. Таким образом, вектор поляризации нейтронного пучка вращается в этих двух областях прецессии (первое и второе плечо спектрометра) в разные стороны подобно часовой стрелке. После прохождения нейтронным пучком первого плеча эта «стрелка» показывает время пролета нейтрона. Если отсутствует какое-либо рассеяние в рабочей области (области образца), то второе плечо раскручивает «стрелку», но уже в обратную сторону. При этом происходит полная компенсация поворота спина. При каком-либо изменении энергии нейтрона в рабочей области, например, скорости прохождения нейтронным пучком первого и второго «плеча» будут разными. Из-за разницы скоростей в «плечах» появляется разница во времени пребывания нейтронного пучка, которая выражается в фазе ларморовской прецессии поляризации нейтронного пучка. Получаемая из фазы ларморовской прецессии информация о скоростях прохождения первой и второй области прецессии относится к одному и тому же нейтрону. Отсюда можно определить изменение в энергии нейтрона. В современных НСЭ-спектрометрах энергетическое разрешение достигает 10 эВ.
Недостатки данного способа: необходимость использования очень сильных магнитных полей в областях прецессии (до 0,15 Тл), в результате чего появляются сильные рассеянные магнитные поля, что снижает чувствительность способа по отношению к малым изменениям энергии нейтрона; высокие требования к коллимации нейтронного пучка; большая длина установки (10 и более метров).
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ измерения малых изменений энергии нейтронов с использованием спин-эхо спектрометров (СЭ-МУРН), описанный в работе [2] (Rekveldt M.Th., Bouwman W.G., Kraan W.H. et al. // Lecture Notes in Physics. V. 601. Berlin: Springer Ver lag. 2002. P. 87). В способе заложен принцип спин-эхо спектрометрии. Малое изменение энергии нейтронов определяется по изменению угла прецессии на выходе (спин-эхо сигнал).
1
1
2
1
2
Способ по прототипу заключается в следующем. Изначально поляризованный пучок нейтронов направляют в область прецессии K с наклонными границами (угол между направлением скорости нейтрона и нормалью к границе больше нуля), в которой нейтроны подвергаются воздействию сильного магнитного поля. Область с наклонными границами может быть организована разными способами: полюса с магнитами; катушка с током и т.д. Из-за преломления на наклонной границе, после прохождения этой области, происходит пространственное расщепление нейтронной волны на два состояния с разными проекциями спина на магнитное поле. Получаемая величина пространственного расщепления пучка Δх пропорциональна магнитному полю в области прецессии K. После прохождения нейтрона через рабочую область, в которой возможно изменение энергии нейтрона, эти два состояния сводятся вместе в области K - вторая область прецессии, которая имеет те же геометрические параметры, что и область К, но противоположное по направлению магнитное поле. Фаза интерференционной картины, то есть азимутальное направление спина на выходе К, определяется разностью фаз двух собственных состояний нейтронной волны (спин-эхо сигнал), накопленных в рабочей области.
sr
Если в рабочей области присутствует некоторый потенциал V(x), зависящий от координаты x (перпендикулярной оси пучка нейтронов), два состояния нейтрона с противоположными направлениями спина пройдут эту область с разными кинетическими энергиями. Разность фаз этих двух состояний будет равна
sr
где τ - время нахождения нейтрона в потенциале V(x).
Величина пространственного расщепления Δx в определяется как [3] (E. Knudsen, L. Udby, P.K. Willindrap, K. Lefmann, W.G. Bouwman, Physica B, 406 (2011) 2361
1
0
1
где l - протяженность области K, θ - угол между направлением скорости нейтрона и нормалью к границе области K, B - величина магнитного поля в ней, μ - магнитный момент нейтрона, E - энергия нейтрана.
sr
Из формулы (1) видно, что величиной пространственного расщепления определяется чувствительность к величине потенциала V(x).
Недостатком указанного способа является недостаточно высокая чувствительность к малым изменениям энергии нейтрона из-за малого пространственного расщепления нейтронного пучка. Расщепление, которое достигается в способе-прототипе, находится в диапазоне 0.5-2 микрометра [4] (W.G. Bouwman et al. // Nuclear Instr. and Methods in Physics Research A 586 (2008) 9-14).
1
2
Использование сильных магнитных полей в прототипе (~0,1 Тл) в областях прецессии K и K приводит к большим рассеянным полям и затрудняет проведение поляризованного пучка. Этот фактор ограничивает чувствительность к изменению малых энергий нейтронов.
Методы исследования на основе спин-эхо спектрометрии в настоящее время востребованы, проведено большое количество исследований по физике твердого тела, химии, биологии. Физические принципы спин-эхо методики легли в основу создания многих диагностических медицинских приборов.
Однако современный уровень научных и прикладных задач связан с необходимостью создания более чувствительных методик регистрации изменений энергии нейтронов. К ним относятся прецизионные исследования в области биологии, создание и исследование наноматериалов, создание более высокого класса диагностических приборов для медицины, исследования в области фундаментальных свойств нейтрона, эксперименты по проверке электронейтральности нейтрона.
Задачей данного способа является модернизация описанной выше методики за счет возможности получения более высокого пространственного расщепления пучка нейтронов без использования сильных магнитных полей.
Технический эффект заключается в увеличении чувствительности способа к измерению малых изменений энергии нейтрона в несколько тысяч раз, что требуется для решения современных научных и прикладных задач.
Технический эффект достигается тем, что в известном способе измерения изменения малых энергии нейтронов, основанном на использовании спин-эхо спектроскопии и заключающемся в том, что пучок поляризованных нейтронов направляют на первую - входную область прецессии спина нейтрона, обеспечивающую пространственное расщепление потока нейтронов на два состояния с разными проекциями спина на магнитное поле, и после прохождения рабочей области, в которой происходит воздействие на нейтронный пучок, обеспечивают обратное сведение пучка во второй - выходной области прецессии спина нейтрона в магнитном поле, имеющем одинаковое по величине, но противоположное по направлению магнитное поле первой области прецессии, а измерение изменений энергии нейтронов определяют по появлению ненулевого спин-эхо сигнала, новым является то, что во входной и выходной областях прецессии спина нейтрона с магнитным полем включены совершенные монокристаллы в положении геометрии дифракции по Лауэ, увеличивающие пространственное расщепление нейтронного пучка за счет явления дифракции и тем самым величину спин-эхо сигнала, причем совершенные монокристаллы расположены таким образом, что их кристаллографические плоскости параллельны друг другу.
4
5
Заявляемая совокупность признаков реализует иной подход к повышению пространственного расщепления нейтрона Δx в спин-эхо интерферометрии. Предложено использовать явление дифракции по Лауэ на совершенных монокристаллах, чтобы увеличить пространственное расщепления пучка в десятки тысяч раз без применения сильных магнитных полей, как в прототипе. Это приводит к увеличению спин-эхо сигнала в 10-10 раз в зависимости от используемого кристаллографического отражения, а следовательно, к повышению чувствительности спин-эхо методики также в десятки тысяч раз.
Расчетным путем авторы доказывают, что использование дифракции по Лауэ на совершенных монокристаллах обеспечивает увеличение пространственного расщепления пучка в десятки тысяч раз без применения сильных магнитных полей, в противоположность прототипу. При этом устраняются проблемы, связанные с увеличением рассеянных полей при повышении величины магнитного поля, свойственные способу-прототипу. Кроме того, устраняются технические трудности, при создании высоких магнитных полей.
На фигуре 1 представлена установка для реализации заявляемого способа:
1 - нейтронный пучок;
2, 6 - входная и выходная области с магнитным полем противоположного направления;
3, 5 - монокристаллы;
4 - рабочая область.
(1)
(2)
На фиг. 2 показана симметричная дифракция по Лауэ в совершенном монокристалле, где j и j - нейтронные потоки в кристалле для двух направлений падающего пучка. Для простоты рассматривается одна блоховская волна, возбуждаемая в кристалле.
Предложенный способ заключается в следующем.
Известен эффект дифракционного усиления, когда малое изменение направления падающего пучка нейтронов приводит к значительному отклонению траекторий нейтронов внутри кристалла (фиг. 2). Нейтрон в кристалле изменяет направление движения на угол Ω (несколько десятых градуса) при отклонении падающего пучка на угол порядка Брэгговской ширины (несколько угловых секунд)
в
в
g
где θ - угол дифракции, θ - отклонение направления движения нейтрона от строгого условия Брэгга (траектории 1, 2 на фиг. 2), E - энергия нейтрона и ν – амплитуда, g - гармоники взаимодействия нейтрона с кристаллом. Этот эффект был использован при измерении рефракции нейтронов на призме в двухкристальной схеме дифракции [5] (S. Kikuta, I. Ishikawa, K. Kohra, S. Hoshino // J. Phys. Soc. Japan, 39 (1975) 471). Подобный же эффект наблюдается, если меняется не направление, а энергия нейтрона, т.к. отклонение от условия Брэгга напрямую связано с изменением энергии нейтрона:
в
где θ - угол дифракции. Эта особенность использовалась в эксперименте по измерению изменения длины волны нейтрона в магнитном поле [6] (A. Zeilinger, C.G. Shull // Phys. Rev. В 19 (1979) 3957).
Если рассмотреть двухкристальную схему дифракции по Лауэ и при этом два кристалла поместить в магнитное поле противоположного направления, то получим схему, подобную СЭ-МУРН (прототип), только с добавленными кристаллами, которые служат «усилителями» нейтронной рефракции в магнитном поле.
В данном способе величина пространственного расщепления будет равна:
g
g
g
g
2
в
L
5
-2
-7
Сравнивая формулы (2) и (5), видно, что величина расщепления примерно в K=E/ν раз больше по сравнению с прототипом при использовании стандартной методики спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов. Например, значение K для дифракции нейтронов находится на уровне ~10, т.к. энергия нейтрона Е~10 эВ, a ν~10 эВ. При использовании плоскости (220) кремния Si и плоскости (100) кварца SiO при толщине кристаллов L=10 см, величине магнитного В~0.01 Тл и угле Брэгга θ=65° величина Δx может составить ~1 мм и 2,5 мм соответственно.
Способ осуществляется следующим образом. Поляризованный пучок нейтронов 1 направляют на первую область прецессии спин-эхо спектрометра, в которой присутствует магнитное поле 2, где происходит минимальное угловое расщепление пучка на два состояния с разными проекциями спина на магнитное поле с последующим попаданием на совершенный монокристалл 3 в положении условия дифракции по Лауэ, который обеспечивает увеличение расщепление пучка нейтронов (см. формулу (5)) без применения сильного магнитного поля. Условие обеспечение минимального расщепление пучка (в несколько угловых секунд) обусловлено необходимостью выполнения условия дифракции по Лауэ в кристалле. При этом используются минимальные магнитные поля и исключаются большие рассеянные поля вокруг магнитных катушек с током, ограничивающие чувствительность способа.
В рабочей области 4 помещают исследуемый объект либо прикладывается некоторый потенциал. После прохождения рабочей области расщепленный пучок направляется на второй совершенный монокристалл 5, кристаллографические плоскости которого параллельны первому кристаллу, для фокусировки расщепленного первым монокристаллом пучка. После этого нейтроны проходят через область магнитного поля 6 обратного направления для окончательного сведения пучка нейтронов. Выходящие из области 6 нейтроны попадают на систему анализа поляризации, где измерение изменения энергии нейтрона в рабочей области 4 определяют по ненулевому спин-эхо сигналу (см. формулу (1)).
В такой геометрии часть интенсивности дважды продифрагировавшего пучка фокусируется на выходной поверхности второго кристалла 5 (см. [7] (В.Л. Инденбом, И.Ш. Слободецкий, К.Г. Труни // ЖЭТФ, 66 (1974) 1111) и распределение интенсивности или, как в рассматриваемом выше случае, поляризации нейтронов по входной поверхности первого кристалла воспроизводится на выходной поверхности второго кристалла. При этом для каждой траектории нейтрона угол поворота в катушке 2 равен по величине, но противоположен по знаку углу поворота в катушке 6, т.е. суммарный угол поворота равен нулю (спин-эхо сигнал равен нулю).
Наличие внешней силы, действующей на нейтрон между кристаллами в рабочей области 4, приведет к отклонению нейтрона на некоторый угол и, соответственно, к смещению фокуса по выходной поверхности второго кристалла 5, см. [8] (J. Arthur, C.G. Shull, A. Zeilinger // Phys. Rev., 32 (9) (1985) 5753).
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает повышение чувствительности на несколько порядков в зависимости от применяемых кристаллографических плоскостей монокристаллов без использования сильных магнитных полей.
Предлагаемый способ предполагается использовать в экспериментах по исследованию фундаментальных свойств нейтрона и проверке электронейтральности нейтрона.
Список литературы
1. В. Farago. Recent neutron spin-echo developments at the ILL (IN11 and IN15) // Physica B, 268 (1999) 270-276.
2. Rekveldt M. Th., Bouwman W.G., Kraan W.H. et al. // Lecture Notes in Physics. V. 601. Berlin: Springer Ver lag. 2002. P. 87.
3. E. Knudsen, L. Udby, P.K. Willindrup, K. Lefmann, W.G. Bouwman, Physica B, 406 (2011) 2361.
4. W.G. Bouwman et al. // Nuclear Instr. and Methods in Physics Research A 586 (2008) 9-14.
5. S. Kikuta, I. Ishikawa, K. Kohra, S. Hoshino // J. Phys. Soc. Japan, 39 (1975) 471.
6. A. Zeilinger, C.G. Shull // Phys. Rev. В 19 (1979) 3957.
7. В.Л. Инденбом, И.Ш. Слободецкий, К.Г. Труни // ЖЭТФ, 66 (1974) 1111.
8. J. Arthur, C.G. Shull, A. Zeilinger // Phys. Rev., 32(9) (1985) 5753.