Экспериментальное исследование особенностей динамической дифракции нейтронов при углах Брэгга, близких к π/2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи

ВЕЖЛЕВ Егор Олегович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ДИФРАКЦИИ НЕЙТРОНОВ ПРИ УГЛАХ БРЭГГА, БЛИЗКИХ К тг/2

Специальность: 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005541254

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Федоров Валерий Васильевич

Официальные оппоненты: Франк Александр Ильич

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник "Объединенного института ядерных исследований"

Черненков Юрий Петрович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией ФГБУ "Петербургский институт ядерной физики"

Ведущая организация: ФГБУ "Государственный Научный Центр

Российской Федерации Институт Теоретической и Экспериментальной Физики"

Защита состоится 18 декабря 2013 г. в 13 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.229.29 при ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая 29, ауд. 118 главного учебного корпуса.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Автореферат разослан "_"ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент ----'Ермакова Наталья Юрьевна

Общая характеристика работы Актуальность проблемы. Актуальность данной работы заключается в формировании и развитии нового направления исследований дифракционных явлений и их применения к изучению свойств ядерной материи и симметрий фундаментальных взаимодействий. Исследованные в работе дифракционные явления лежат в основе нового метода исследования малых воздействий на нейтрон [1], который будет применен для изучения гравитационных свойств нейтрона и, в частности, проверки слабого принципа эквивалентности для нейтрона [2]. Стоит отметить, что природа гравитационного взаимодействия, несмотря на его широкую распространенность и присутствие во всех процессах связанных с жизнедеятельностью человека, остается одной из наименее изученных. Кроме этого, представляет определенную проблему формулировка слабого принципа эквивалентности Эйнштейна для квантовомеханических объектов, которым и является нейтрон. Поэтому, несмотря на то, что эквивалентность инертной и гравитационной масс для макроскопических объектов проверена экспериментально с колоссальной точностью, проверка слабого принципа эквивалентности в кванто-вомеханическом пределе представляет собой отдельную и весьма важную задачу.

Работа поддержана в рамках федеральной целевой программы „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы.

Основной целью данной работы является развитие принципиально нового метода изучения фундаментальных свойств нейтрона, основанными на дифракции в совершенном кристалле. В частности, проведено исследование дифракции нейтронов по Лауэ при углах Брэгга, близких к 7г/2, целью которого является улучшение точности предложенного недавно эксперимента по проверке эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона дифракционным методом, и превышение лучшего достигнутого к настоящему времени значения для точности в определении отношения инертной и гравитационной масс нейтрона как минимум в десять раз.

Научная новизна. Впервые была исследована дифракция нейтронов в высоко совершенном монокристалле кремния с характерным размером 220 мм при углах Брэгга, близких к 7г/2. Показано, что теоретические предсказания динамической дифракции хорошо согласуются с экспериментальными данными и для нейтронов, в частности, наблюдается аномальное прохождение (эффект Бормана) даже при таких больших эффективных толщинах рабочего кристалла. Эти данные позволили развить принципиально новый дифракционный метод исследования малых (по порядку величины много меньших силы гравитационного

л Г.

взаимодействия нейтрона с Землей) сил на дифрагирующий нейтрон, обладающий беспрецедентной чувствительностью.

Достоверность результатов контролировалась путем сравнения с имеющимися экспериментальными данными в данной области исследований.

Научно-практическая ценность. Результаты, полученные в работе, будут использованы для предлагаемого эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона кристалл-дифракционным методом. В эксперименте предполагается достичь точности в определении эквивалентности инертной и гравитационной масс а{т)/ти) ~ 10~5, которая приблизительно на порядок выше достигнутой к настоящему времени. Эквивалентность инертной и гравитационных масс является основой общей теории относительности. И если для макроскопических объектов эквивалентность инертной и гравитационной масс проверена с очень высокой точностью на уровне ~ 10~12 [3, 4], то для элементарных частиц эта величина лучше всего измерена для нейтрона и точность в ее определении составляет всего «1,7- 1СГ4 [5].

Положения, выносимые на защиту:

1. Впервые проведены исследования динамической дифракции нейтронов по Лауэ в однокристальной и двухкристальной геометриях эксперимента в большом (Ь — 220 мм) высоко совершенном монокристалле кремния на плоскости отражения (220) при угах Брэгга, близких к7г/2. Показано, что для дифрагирующих нейтронов наблюдается сильный ядерный эффект аномального прохождения (эффект Бормана).

2. Создана кристалл-дифракционная установка, обладающая высокой чувствительностью к внешнему воздействию на дифрагирующий по Лауэ нейтрон. Экспериментальное значение разрешения такой установки составило га 4 • 10"11 эВ/см при угле дифракции 78". При этом для имеющихся в мире высокоинтенсивных пучков холодных нейтронов разрешение такой установки может достичь = Ю-1'® эВ/см.

3. Сверхвысокое разрешение двухкристальной установки позволит провести принципиально новый эксперимент по проверке слабого принципа эквивалентности Эйнштейна для нейтрона. При этом точность в определении эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона достигнет величины а (т.)/то) ~ 10_,г\ что более чем на порядок превосходит современное значение для данной физической величины.

4. Проведен анализ возможных систематических эффектов, возникающих в предлагаемой схеме эксперимента. В частности, расчитаны неинерци-

альные силы, действующие на нейтрон в лабораторной системе координат. Были проанализированы все возможные внешние факторы, влияющие на ее чувствительность к изменению искомой внешней силы. Показано, что имеющееся в наличии экспериментальное оборудование позволит контролировать воздействия внешних факторов на необходимом уровне и чувствительность экспериментальной установки составит c(Fc.it) ~ 5 • 10~1<S эВ/см за сто дней накопления статистики на существующем современном источнике холодных нейтронов.

Личное участие автора. При участии автора диссертационной работы были поставлены и сформулированы цели и задачи исследования. Автор является непосредственным исполнителем экспериментальных исследований динамической дифракции нейтронов по Лауэ в монокристаллах кремния, автор также лично осуществлял физический анализ полученных экспериментальных данных и их интерпретацию в рамках теории динамической дифракции. При участии автора был проведен анализ систематических эффектов, возникающих в предлагаемом эксперименте по проверке слабого принципа эквивалентности. Вклад автора в научные работы, которые были опубликованы по теме диссертации, является определяющим.

Апробация работы. Результаты были представлены на различных международных конференциях: XXI и XXII совещания по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях конденсированного состояния РНИКС 2010, 2012; 2nd International workshop on the Physics fundamental symmetries and interactions PSI, Switzerland, 2010; Международная научно-практическая конференция XXXIX НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ, 2010; Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «Физи-кА.СПб» 2010, 2011; Сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, Москва, ИТ-ЭФ, 2011; Конференция «Исследовательские реакторы в разработке ядерных технологий нового поколения и фундаментальных исследованиях», Димитрово-град, 2011; XIX, XX, XXI Международный семинар по взаимодействию нейтронов с ядрами - Дубна, ОИЯИ, 2011,2012,2013; International Conference on Neutron Scattering, Edinburgh, UK, 2013.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, заключения и списка литературы (страниц - 101, рисунков - 33).

Во введении обоснована актуальность темы проведенного исследования, сформулированы цели диссертации. Показана научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформулированы основные по-

ложения, выносимые на защиту. Дано краткое изложение содержания её разделов.

В первой главе приведен краткий обзор кристалл-дифракционных методов исследования фундаментальных свойств нейтрона, кратко изложена история развития таких методов в Петербургском институте ядерной физики. Отмечено, что целью работы является исследование особенностей дифракции нейтронов в больших высоко совершенных монокристаллах и изучение возникающих специфических нейтронооптических эффектов, таких как дифракционное усиление малых воздействий на дифрагирующий нейтрон, эффект „замедления" нейтрона в кристалле, при близких к прямому углах дифракции, и эффект аномального прохождения нейтронов (эффект Бормана). Приведен обзор основополагающих работ, в которых наблюдались подобные эффекты при дифракции нейтронов ранее. Также рассмотрена история исследований гравитационных свойств нейтрона и, в частности, эксперименты по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона.

Вторая глава посвящена новому кристалл-дифракционному методу исследования малых воздействий на дифрагирующий нейтрон. Метод основан на эффектах, возникающих при динамической дифракции нейтронов по Лауэ, при близких к прямому углах Брэгга. Описание теории динамической дифракции нейтронов можно найти, например в [б]. Рассмотрим процесс дифракции по Лауэ в совершенном кристалле на системе кристаллографических плоскостей, определяемых вектором обратной решетки g. В силу периодичности потенциала взаимодействия можно провести его разложение по векторам обратной решетки, т.е. представить в виде фурье - гармоник [7]

К(г) = Vg exp(zgr) = V„ + J2 2% cos (gr), (1)

где учтено, что в силу вещественности ядерного потенциала Vg — K!g, а начало координат совпадает с максимумом потенциала. При решении дифракционной задачи при точном выполнении условия Брэгга решение волнового уравнения Шредингера внутри кристалла (с потенциалом данной системы кристаллографических плоскостей g) ищется в виде суперпозиции двух собственных состояний для прямого пучка, распространяющегося в направлении вектора ко = к, и для отраженного, распространяющегося в направлении вектора kg = k + g (см. Рис. 1):

^ = a„|k) + ag|k + g> (2)

Рис. 1. Симметричный случай дифракции по Лау» в ограниченном кристалле. и направления распространения плотности потока нейтронов (..траектории Като") для двух типов блоховских волн |1|

Обычно при дифракции в совершенных кристаллах достаточно рассматривать процесс в таком двухволновом приближении динамической дифракции. Вкладом других волн, отраженных отличными от выбранной кристаллографи-ческимим плоскостями можно пренебречь в силу малости угловых Брэгговских ширин. В этом приближении волновая функция (2) представляет собой суперпозицию двух волн V1'1' и с разными значениям волновых векторов к'1' и к(2\ отвечающих разным ветвям дисперсионной поверхности.

При точном выполнении условия Брэгга нейтроны в состоянии V1'1' сконцентрированы преимущественно на максимумах ядерного потенциала [7]:

= 1 + cos (gr),

а в состоянии V''2' между ними (см. рис. 2):

о

ф^ = 1 — cos (gr).

(3)

(4)

Это обстоятельство приводит к тому, что нейтроны в состоянии ф^ будут поглощаться слабее нейтронов, находящихся в состоянии 0'1'. Учет поглощения осуществляется введением мнимой части в потенциал взаимодействия нейтрона с кристаллом 1/(г)+г1/'(г). Следует отметить, что мы рассматриваем случай когда К(г) >> У(г), т.е. пренебрегаем сдвигом фазы нейтронной волны за счет

наличия поглощения. Тогда мнимую часть также можно представить в виде фурье-разложения по векторам обратной решетки с соответствующими гармониками разложения г1»' и г>,/. Волновые функции нейтрона в кристалле с учетом поглощения можно записать в следующем виде:

где VI) - средняя величина поглощающей части потенциала, а V,/ - амплитуда g-гapмoники этой части потенциала; Ь -толщина кристалла, уц = усоэ^в - компонента скорости нейтрона параллельная кристаллографическим плоскостям, а знак ± - отвечает разным типам блоховских волн. Удобно ввести величину коэффициента поглощения /¿о = 2и'/йч и определить безразмерный параметр £ц = и'у/с'о, с помощью которого можно характеризовать величину эффекта Бормана для данной системы кристаллографических плоскостей.

При точном выполнении условия Брэгга амплитуды блоховских волн с учетом поглощения будут иметь следующий вид

где L,,ff = Ь/ соввц - эффективная толщина кристалла.

Из приведенного рассмотрения следует, что различие в поглощении двух волн определяется величиной которая лежит в пределах 0 < е,, < 1. В частности, существуют кристаллографические плоскости для которых структурный фактор отражения тождественно равен единице и тогда возникает ситуация, когда £,, —У 1 и отличие е:1 от единицы обусловлено исключительно тепловыми колебаниями атомов (фактором Дебая). В этом случае одна из волн, возбуждаемых в кристалле, имеет практически нулевое поглощение, что позволяет исследовать дифракцию в очень больших монокристаллах при углах дифракции близких к 7г/2, т.е. соъОц 0 и Ь(,ц —>■ оо.

Дифракцию нейтронов по Лауэ в деформированном монокристалле можно описать с помощью эйкональной теории Като [8]. В рамках этой теории вводится так называемая "сила Като"//;:, под действием которой изменяется направление плотности потока нейтронов в кристалле, т.е. происходит некоторое искривление первоначальной траектории. Для плотности потока нейтронов внутри кристалла тогда можно записать следующее уравнение

(С)

Система щелей

Рис. 2. Однокристальная схема дифракции по .'lay:-). На входной п выходной гранях кристалла расположены коллнмнрующне щели, ji н j2 направления расирост])анеш1Я плотности потока нейтронов для рачных типов блоховскнх волн |9|

где ?i?o = 2Fnd/V - так называемая „масса Като", V - объем элементарной ячейки кристалла, F,t — структурный фактор отражения нейтронов. Знак ± в уравнении (7) соответствует двум различным типам блоховских волн И '(/' .

В уравнении (7) „сила Като" зависит от пространственных координат Z и Y (см. рис. 1). Можно показать, что при помещении недеформированного кристалла в некоторое потенциальное поле, действующее на нейтрон в направлении вектора обратной решетки g, мы получим ненулевое значение эффективной „силы Като", то есть для дифрагирующего нейтрона также появится небольшое искривление траектории как и при дифракции в деформированном кристалле

Можно показать, что при действии внешней силы Е,,х1 вдоль вектора обратной решетки g (оси Z, см. рис. 1) уравнение траектории нейтрона в кристалле

а уравнение траектории нейтрона в пустом пространстве под действием той же силы запишется как

ду2 2 Еп- ^

Сравнив эти уравнения, нетрудно заметить, что они отличаются фактором усиления:

[10].

будет иметь вид

_ c2g F,.xt ду2~ 2пга2Еп'

(8)

который зависит от угла дифракции как tg2 0ц■

Как было отмечено в работе [1] величина этого фактора достигает 10!) при близких к тг/2 углах Брэгга. Такая величина есть совокупность хорошо известного фактора дифракционного усиления и эффекта „замедления" дифрагирующего по Лауэ нейтрона при углах Брэгга, близких к 7г/2. Эффект дифракционного усиления заключается в том, что при малом изменении направления движения падающей частицы (или гамма-кванта) в пределах брэгговской ширины направление движения частицы внутри кристалла изменяется на угол Брэгга. Этот эффект детально исследовался Като, который построил теорию дифракции рентгеновских лучей в слабодеформированных кристаллах [8]. Для нейтронов данный эффект был экспериментально обнаружен в работе [11]. Также недавно было экспериментально доказано существование дополнительного усиления эффектов воздействия на нейтрон в кристалле. Оно связано с предсказанным [12] и экспериментально обнаруженным [13] эффектом „замедления" нейтрона в кристалле при дифракции по Лауэ при углах Брэгга, близких к7г/2. Суть эффекта заключается в том, что скорость распространения дифрагирующего по Лауэ нейтрона (или электрона) в кристалле определяется проекцией вектора скорости на кристаллографическую плоскость отражения и, поэтому, очевидно, что при увеличении угла Брэгга, эта проекция будет уменьшаться по абсолютной величине. На это явление было обращено внимание впервые именно при дифракции электронов, см., например, [14].

Идея нового кристалл-дифракционного метода исследования малых воздействий на нейтрон заключается в следующем. При дифракции в двухкристальной схеме (см. рис. 3) действие внешней возмущающей силы вдоль вектора обратной решетки g приводит к смещению нейтронного пучка на выходной грани второго кристалла на величину [2, 15]

где знак ± отвечает двум различным типам блоховских волн.

Разрешение такой системы к внешней силе, т.е. величина силы, при которой смещение пучка равно размеру щели на выходной поверхности равна

ПЦ)С1 Еп

]Ур = (12)

где <5, - ширина коллимирующей щели. Предварительные оценки [1, 15] показывают, что для имеющегося в наличии монокристалла кремния разрешение установки к внешней силе может достигать \Vf = 10~1,! эВ/см.

отражающие плоскости

Рис. 3. Двухкристальная схема дифракции по Лауэ. На входных и выходных гранях кристаллов расположены коллимирующие щели, jl и направления распространения

плотности потока нейтронов для разных типов блоховских волн в первом кристалле; .11->7 (*,] = 1:2) нап])авлення распространения плотности потока нейтронов для разных типов блоховских волн во втором кристалле |9|

Из (12) видно, что разрешение установки зависит от толщины рабочего кристалла Ь и величины с = 1,д2(0в), т.е. от параметров, определяющих так называемую „эффективную" толщину кристалла. В то же время, прохождение нейтронов через большую „эффективную" толщину возможно только благодаря описанному выше ядерному эффекту аномального прохождения (эффекту Бормана). Экспериментальное исследование данного эффекта являлось одной из главных задач данной работы.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию особенностей динамической дифракции нейтронов по Лауэ при углах Брэгга, близких к7г/2 в большом (Ь = 220мм) монокристалле кремния [9, 16]. Также рассмотрены результаты экспериментальной оценки разрешения кристалл-дифракционной установки во внешней силе с имеющимся монокристаллом кремния [17].

Эксперимент проводился на втором горизонтальном пучке реактора ВВР-М (ПИЯФ, Гатчина). Исследовалась дифракция нейтронов по Лауэ при углах Брэгга, близких к 7г/2, на системе кристаллографических плоскостей (220) (межплоскостное расстояние с1 = 1,92- 10~х см) монокристалла кремния размерами 0150 х 220 мм'1. Монокристалл имеет поперечный разрез на половине толщины для возможности проведения исследований в двухкристальной схеме (рис.4).

Коллимация нейтронного пучка осуществляется двумя щелями на входной поверхности и в разрезе кристалла, а подвижная щель, расположенная на выходной грани, дает возможность сканировать пространственное смещение пуч-

Рис. 4. Рабочий кристалл кремния. Размеры 0150 х 220 мм3. На половине толщины сделан поперечный разрез для возможности исследования дифракции в двухкрнстальной схеме.

ка (рис.3), что планируется использовать для эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона [2]. Из рис.3 видно, что волны и

ф( 2-я)

фокусируются на выходной грани кристалла. Другими словами, половина интенсивности продифрагировавшего пучка, фокусируясь, дает изображение щели, поставленной на входной грани кристалла. Такое явление называют эффектом дифракционной фокусировки [18, 19]. Рабочий кристалл был заключен в термостат для минимизации эффекта деформации кристалла, вызванного возможным появлением температурных градиентов.

В эксперименте снимались зависимости интенсивности дифрагированных нейтронов для однокристальной и двухкристальной схем дифракции по Лауэ от угла Брэгга (рис.5). В данной геометрии эксперимента регистрировались нейтроны дифрагированные в кристалле и вылетающие в направлении прямого пучка.

Теоретическая зависимость рассчитана для длины поглощения в кремнии Laim = 40 см с учетом разного поглощения двух блоховских волн (5). Коэффициент поглощения для блоховской волны полученный из эксперимента, составляет

/¿1 = //,о( 1 +£g220) = 0 , 05 см"1. К сожалению, из-за относительно малой толщины используемого кристалла (220 мм) в сравнении с длиной поглощения волны второго типа и из-за сложности полного учета утечки нейтронов в данной геометрии эксперимента была получена лишь верхняя граница на значение коэффициента поглощения для этой волны

И2 = ^„(1 - £g220) < 0; 003 см К Тем не менее, даже такое ограничение говорит о том, что для волны фдлина поглощения нейтрона, дифрагирующего на плоскости (220) кристалла кремния, как минимум на порядок превосходит среднюю длину поглощения нейтрона

в кремнии (Ь„1М = 40 см, /¿() = 0.025 см-1) и составляет Ьа^я > 300 см. Величина параметра £220 >0,9 свидетельствует об очень сильном эффекте Бормана для этой системы плоскостей. Что не противоречит теоретическому предсказанию £22» — 0,97 для данных условий проведения эксперимента.

Также на рис.5 на верхней оси приведена эффективная толщина кристалла Ь(,ц = Ь/совОв, которая достигает б метров при угле Брэгга равном 88°.

Зависимость отношения интенсивностей для однокристальной и двухкри-стальной схем дифракции показана на рис.б. Важно отметить, что с учетом эффекта двухкристальной фокусировки [18] и эффекта аномального прохождения теория предсказывает выход кривой на плато равное 1/2 при больших углах дифракции, что соответствует ситуации, когда выживает только слабопоглоща-емая волна ф('2\ а вклад других волн пренебрежимо мал.

Далее было проведено исследование возможного разрешения двухкристальной установки. Измерения были произведены при фиксированном угле Брэгга в 78° и с размером коллимирующей щели в 15 мм. На рис. 7 показано распределение интенсивности дифрагированного пучка в зависимости от положения коллимирующей щели на выходной грани кристалла. Из рис. 7 видно, что в отсутствии какой бы то ни было внешней возмущающей силы, дифрагированный в прямом направлении пучок локализован относительно центра кристалла по оси Ъ (см. рис. 3). Величина разрешения была рассчитана исходя из экспериментальных данных и составила

\Гр1' » 4 • 10_11эВ/см.

Основной проблемой при измерениях была низкая светосила, которая связана с низкой интенсивностью холодных нейтронов необходимой длины волны на втором горизонтальном пучке реактора ВВР-М. Однако, для имеющихся в мире высокоинтенсивных источников холодных нейтронов, можно существенно повысить величину разрешения, за счет работы при больших углах Брэгга (до 88°) и за счет уменьшения размера коллимирующих щелей (до бе = 2 мм). В таком случае разрешение будет увеличено до величины;

\\ГР « 5 • 1(Г1:) ёУ/ст = 5 • 10~4тпд, где ш„ - масса нейтрона, а д - ускорение свободного падения. Чувствительность к изменению внешней силы для существующих потоков холодных нейтронов может достигать

и 5 • 10_18эВ/см = 5 • 10~'лтпд (13)

1-е«,см

68 103 125 156 209 314 630

-т- >днокрис альная схема

ч -с анома >ез учет« 1ЬНОГО лр эффекта вождения

'Ч Гч, **ч Ч :Ч \

\ \! \ ; \

76 ТВ 60 62 64 66 66

Угол Брэгга

Рис:. 5. Зависимость интенсивности от угла Брэгга для однокристальной и двухкристальной схем дифракции по .Пауз в кристалле кремния. Плоскость отражения (220). Размер кристалла Ь = 220 мм |9|

Рис. С. Зависимость отношения значений интенсивностеи для однокристальной и двухкристальной схем дифракции по Лауэ в кристалле кремния от угла Брэгга. Сплошной линией показана теоретическая кривая зависимости |9|

Положение щели,см

Рис. 7. Распределение интенсивности дифрагированного пучка по выходной поверхности кристалла. Кривая снималась с помощью подвижной щели на выходной поверхности

кристалла |17|

за 100 дней накопления статистики.

Далее рассмотрены требования к качеству кристаллов. Для создания экспериментальной кристалл-дифракционной установки необходимы особо чистые монокристаллы кремния с высокой степенью структурного совершенства, т.к. наличие любых градиентов межплоскостного расстояния по объему монокристалла приводят к снижению чувствительности установки. Необходимо отметить, что первичная оценка степени совершенства и отбор монокристаллов кремния проводилась с использованием оригинальной методики [20], суть которой подробно изложена в [21].

Четвертая глава посвящена эксперименту по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона кристалл-дифракционным методом [2]. Идея эксперимента заключается в следующем. Земля находится на стационарной орбите вокруг Солнца, т.е. для нее гравитационное притяжение Солнца, которое пропорционально гравитационной массе Земли, уравновешено центробежной силой, пропорциональной инертной массе Земли. Если для нейтрона мы будем иметь другое, чем для Земли, отношение инертной и гравитационной масс, то в системе отсчета Земли на нейтрон будет действовать ненулевая сила, равная разнице центробежной и гравитационных сил:

(?л, - тс) ■ (ЗЛ/-,- 4

Я. =-ш-« Ас/ -6-10 Ьпад, (14)

■"л'

где та и т,- - гравитационная и инертная масса нейтрона соответственно, С? -гравитационная постоянная, - масса Солнца, 11$ - расстояние от Земли до Солнца, д - ускорение свободного падения, Аа = (т; — тс) /тс- параметр, характеризующий возможное нарушение эквивалентности инертной и гравитационной масс. Воздействие такой силы приведет к искривлению траектории дифрагирующего нейтрона в кристалле, и как раз к такому искривлению чувствительна экспериментальная установка. Более того должны наблюдаться суточные осцилляции проекция этой нескомпенсированной силы на вектор обратной решетки g в связи с вращением Земли вокруг своей оси. Данные осцилляции соответственно приведут к суточным осцилляциям интенсивности детектируемых нейтронов на выходной поверхности кристалла, что и предлагается измерять в эксперименте. На рис. (8) приведена схема установки для проведения предлагаемого эксперимента.

Нетрудно подсчитать, что сила гравитационного притяжения Солнца составляет Ра ~ тп • 6 • 10~4(/ « 6 • 10~иэВ/см, где д = 9.8м/с2 - ускорение сво-

Рис. 8. Схема установки для проведения эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона: 1 направление нейтронного пучка на выходе из горизонтального канала реактора; 2 двухкристальная система монохроматизацни нейтронного пучка; 3 защита, выполненная из борнрованного полиэтилена; 4 рабочий кристалл кремния, помещенный на поворотное устройство; 5 поворотное устройство; О, 12 столик для перемещения детектора; 7, 11 детектор нейтронов, помещенный в защитный кожух; 8 дифрагированный в направлении к,, нейтронный пучок; 9

двухслойный термостат с активной и пассивной термостабилизацией; 10 дифрагированный в направлении ко нейтронный пучок. На выноске А показана выходная грань кристалла с подвижными коллимирюущимн щелями

бодного падения. Таким образом, если чувствительность прибора составляет « 10_17эВ/см, то это будет соответствовать точности для отношения масс

<т((*с - = ст((тс - т>)/та) « 2 • КГ5. (15)

Здесь приведена статистическая точность, достижимая в данной постановке эксперименте. Далее приведен анализ возможных систематических эффектов [22] и необходимые условия для проведения эксперимента [15].

Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что имеющееся на данный момент экспериментальное оборудование и имеющийся в наличии монокристалл кремния позволяют определить отношение инертной и гравитационной масс нейтрона с точностью а{т1/тс) ~ 10"5.

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты работы:

1. Впервые исследована динамическая дифракции нейтронов по Лауэ в большом (Ь = 220 мм) монокристалле кремния при углах дифракции, близких к тг/2.

2. Разработан кристалл-дифракционный метод исследования малых воздействий на дифрагирующий нейтрон, основанный на особенностях дифракции нейтронов по Лауэ при близких к прямому углах дифракции. Метод обладает сверхвысокой чувствительностью к внешнему воздействию ^(Кя) ~ Ю-1* эВ/см. Метод будет использован для исследования фундаментальных свойств нейтрона и, в частности, для исследования его гравитационных свойств.

3. Создана экспериментальная установка, в основе которой лежит большой высоко совершенный кристалл кремния размерами 0150 х 220 мм,!. Экспериментально измеренное разрешение такой установки в единицах внешней силы составило ~ Ю-11 эВ/см при угле дифракции в 78°. При работе на современных источниках холодных нейтронов разрешение может быть увеличено примерно на порядок величины.

Основные выводы работы:

1. Показано, что для большого кристалла кремния (Ь = 220 мм) для плоскости отражения (220) наблюдается сильный ядерный эффект аномального прохождения нейтронов в однокристальной и двухкристальной схемах дифракции. Данный эффект динамической дифракции необходимо учитывать при создании кристалл-дифракционных установок высокого разрешения разрешения и при проведении кристалл-дифракционных экспериментов по исследованию фундаментальных свойств нейтрона с использованием больших монокристаллов, особенно при работе с близкими к прямому углами Брэгга;

2. Разработанный кристалл-дифракционный метод и имеющееся экспериментальное оборудование позволит провести эксперимент по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона с достижением лучшей на данный момент точности. Определение отношения эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона достигнет точности о(пц/та) ~ 10 г>, что более чем на порядок улучшает современной значение для данной физической величины.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вежлев, Е.О. Эффект аномального поглощения нейтронов, дифрагирующих по Лауэ, при углах Брэгга, близких к 7г/2 [Текст] / Е.О. Вежлев, В.В. Воронин, И.А. Кузнецов и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2012.-Т. 96, вып. 1. - стр. 3-7. / ^ТР Letters.-2012.-V. 96, N0. 1.-Р. 1-5.

2. Вежлев, Е.О. Прямое наблюдение эффекта Бормана при дифракции нейтронов по Лауэ в кристалле кремния[Текст]/ Е.О. Вежлев, В.В. Воронин, И.А. Кузнецов и др. // Препринт ПИЯФ.-2011-No 2884- 17 стр.

3. Voronin, V.V. Eotvos-type experiment with cold neutron [Text]/ V.V. Voronin, V.V. Fedorov, E.O. Vezhlev et.al. // Physics Procedia. -2011. -V. 17,- P. 232-238.

4. Vezhlev, E.O. Verification of the Weak Equivalence Principle with Laue Diffracting Neutrons: Test Experiment [Text]/ E.O. Vezhlev, V.V. Voronin, I.A. Kuznetsov et.al. // Physics of Particles and Nuclei Letters. - 2013 - V. 10, No. 4. - P. 357-360. / Письма в ЭЧАЯ. - 2013. - Т. 10, No 4(181). - С. 572-578.

5. Voronin, V.V. Eotvos-type experiment with cold neutrons (in Th. Bourdel, M. Doser, A.D. Ernest, A.Yu. Voronin, V.V. Voronin, Quantum phenomena in gravitational field) [Text]/ V. V. Voronin, V.V. Fedorov, E.O. Vezhlev et.al. // Comptes Rendus Physique. - 2011. - V. 12. - P. 779.

6. Воронин, В.В. Анализ дифракционного эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона [Текст] / В.В. Воронин, Ю.П. Брагинец, Е.О. Вежлев и др. // Препринт ПИЯФ. - 2010. -No 2849. - 28 стр.

7. Семенихин, С.Ю. Исследование структурного совершенства монокристаллического кварца для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом [Текст] / С.Ю. Семенйхин, Ю.П. Брагинец, Е.О. Вежлев и др. // Журнал технической физики. - 2011. - Т. 81, вып. 3. -С. 71-79. / Technical Physics. - 2011. - V. 56, No. 3,- P. 386-394.

Литература

1. Воронин, В.В. Эффект дифракционного усиления и новые возможности измерения заряда нейтрона и отношения его инертной массы к гравитационной [Текст] / В. В. Воронин, И.А. Кузнецов, Е.Г. Лапин и др.[Текст] // Ядерная физика. - 2009. - Т. 72, вып. 3. - С. 505-511.

2. Voronin, V.V. Eotvos-type experiment with cold neutron [Text]/ V.V. Voronin, V.V. Fedorov, E.O. Vezhlev et.al. // Physics Procedia. -2011. -V. 17- P. 232-238.

3. Adelberger, E. G. Testing the equivalence principle in the field of the Earth: Particle physics at masses below 1 /ieV [Text] / E.G. Adelberger et.al.// Phys. Rev. D. -1990. -V. 42. - P. 3267.

4. BaeBler, S. Improved Test of the Equivalence Principle for Gravitational Self-Energy [Text]/ S. BaeBler et.al.// Phys.Rev. Lett. - 1999. - V. 83, No. 18. -P. 3585.

5. Schmiedmayer, J. The equivalence of the gravitational and inertiomal mass of the neutron [Text] / J. Schmiedmayer // Nucl. Instr. Meth. - 1989. - Vol. A 284. - P. 59-62.

6. Rauch, H. Dynamical neutron diffraction and its application [Text]: In Neutron diffraction, ed. by H. Duchs / H. Rauch, D. Petrachek - Berlin : Springer. -1978. - P. 303-351.

7. Хирш, П. Электронная микроскопия тонких кристаллов [Текст] / П. Чирш, А. Хови, Р. Николсон и др. - Москва : МИР. - 1968. - 574 с.

8. Kato, N. The flow of X-rays and materials waves in ideally perfect single crystals [Text] / N. Kato // Acta Crystallography. - 1958. - Vol. 11. - P. 885-887.; Ewald, P.P. Group velocity and phase velocity in X-ray crystal optics [Text] / P.P. Ewald // Acta Crystallography. - 1958. - Vol. 11. - P. 888-891.

9. Вежлев, E.O. Эффект аномального поглощения нейтронов, дифрагирующих по Лауэ, при углах Брэгга, близких к 7г/2 [Текст] / Е.О. Вежлев, В.В. Воронин, И.А. Кузнецов и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2012. - Т. 96, вып. 1,- С. 3-7. /JETP Letters.-2012.-V. 96, No. 1.-Р. 1-5.

10. Алексеев, В.Л. Гравитационный эффект при дифракции нейтронов на изогнутом кварцевом монокристалле [Текст] / В.Л. Алексеев, Е.Г. Лапин, Е.К. Леушкин и др. // ЖЭТФ. - 1988. - Т. 94. - С. 371-383.

11. Zeilinger, A. Effective Mass of Neutrons Diffracting in Crystals [Text] / A. Zeilinger, C.G. Shull, M. A. Home and K. D. Finkelstein // Phys. Rev. Lett. - 1986. - V. 57. - P. 3089.

12. Fedorov, V.V. On the search for neutron EDM using Laue diffraction by a crystal without a centre of symmetry [Text] / V.V. Fedorov, V.V. Voronin, E.G. Lapin // J. Phys. G. - 1992. - V. 18. - P. 1133-1148.

13. Воронин, В. В. Прямое измерение времени задержки нейтрона в кристалле при дифракции по Лауэ [Текст] / В. В. Воронин, Е. Г. Лапин, С. Ю. Семе-нихин и др. // Письма В ЖЭТФ. - 2000. -Т. 71, вып. 2. - С. 110.

14. Федоров, B.B. Особенности электромагнитного излучения электрона, дифрагирующего в монокристалле [Текст] / В.В. Федоров, А.И. Смирнов // ЖЭТФ. - 1974. - Т. бб. - С. 566.

15. Воронин, В.В. Анализ дифракционного эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона [Текст] / В.В. Воронин, Ю.П. Брагинец, Е.О. Вежлев и др. // Препринт ПИЯФ. - 2010. -No 2849. - 28 стр

16. Вежлев, Е.О. Прямое наблюдение эффекта Бормана при дифракции нейтронов по Лауэ в кристалле кремния[Текст]/ Е.О. Вежлев, В.В. Воронин, И.А. Кузнецов и др. // Препринт ПИЯФ.-2011-No 2884 - 17 стр.

17. Vezhtev, Е.О. Verification of the Weak Equivalence Principle with Laue Diffracting Neutrons: Test Experiment [Text]/ E.O. Vezhlev, V.V. Voronin, I.A. Kuznetsov et.al. // Physics of Particles and Nuclei Letters. - 2013 - V. 10, No. 4. - P. 357-360. / Письма в ЭЧАЯ. - 2013. - Т. 10, вып. 4(181). - С. 572-578.

18. Инденбом, В. И. Рентгеновский интерферометр с узким пучком [Текст] /

B. И. Инденбом, И. 111. Слободецкий, К. Г. Труни // ЖЭТФ. - 1974. - Т. 66, вып. 3. - С. 1110.

19. Arthur, J. Dynamical neutron diffraction in a thick-crystal interferometer [Text] / J. Arthur, C.G. Shull, A. Zeilinger, // Phys. Rev. B. - 1985. - V. 32, No. 9. - P. 5753.

20. Пат. 2394228 Российская Федерация, МПК G 10 N 23/20. Способ определения относительного изменения межплоскостных расстояний совершенных кристаллов [Текст] / В.В. Федоров, И.А. Кузнецов, Е.Г. Лапин [и др.]; заявитель и патентообладатель УРАН ПИЯФ РАН. - № 2009104107/28 ; за-явл. 03. 02. 09 ; опубл. 10. 07. 10, Бюл. № 19. -8с.: ил.

21. Семенихин, С.Ю. Исследование структурного совершенства монокристаллического кварца для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом [Текст] / С.Ю. Семенихин, Ю.П. Брагинец, Е.О. Вежлев и др. // Журнал технической физики. - 2011. - Т. 81, вып. 3. -

C. 71-79. / Technical Physics. - 2011. -V. 56, No. 3,- P. 386-394.

22. Воронин, B.B. Анализ систематики дифракционного эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона [Текст] / В.В. Воронин, Ю.П. Брагинец, И.А. Кузнецов // Препринт ПИЯФ. - 2009.-No 2827. - 24 стр.

Подписано в печать 11.11.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11218Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический

университет"

04201453311

На правах рукописи

ВЕЖЛЕВ Егор Олегович

Экспериментальное исследование особенностей динамической дифракции нейтронов при углах Брэгга, близких к 7г/2

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.04.16. — физика атомного ядра и элементарных частиц

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Валерий Васильевич Федоров

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

Введение 5

1 Кристалл-дифракционные методы исследования фундаментальных свойств нейтрона. Гравитационное взаимодействие нейтрона и слабый принцип эквивалентности 11

1.1 История развития рентгеновских и нейтронных кристалл-дифракционных методов исследований в физике ядра и элементарных частиц в СССР и России........... 11

1.2 Эффекты, возникающие в динамической дифракции нейтронов по Лауэ при углах Брэгга, близких к 7г/2 ..... 14

1.3 Исследования гравитационных свойств нейтрона. Проверка слабого принципа эквивалентности.......... 15

2 Кристалл-дифракционный метод исследования действия на нейтрон малых внешних сил 20

2.1 Динамическая дифракция в высокосовершенных кристаллах. Симметричная схема дифракции по Лауэ .... 20

2.2 Эффект аномального прохождения нейтронов через кристалл (эффект Бормана).................... 27

2.3 Особенности дифракции нейтронов в деформированном монокристалле. Теория Като................. 28

2.4 Эффективные силы, действующие на на дифрагирующий в совершенном кристалле нейтрон при наличии внешнего поля.............................. 32

2.5 «Замедление» нейтронов дифрагирующих по Лауэ при углах Брэгга, близких к 7г/2, и эффект дифракционного усиления малых воздействий на нейтрон .......... 35

2.6 Двухкристальная схема исследования слабых воздействий на нейтрон при дифракции по Лауэ......... 37

3 Исследование особенностей динамической дифракции нейтронов по Лауэ в большом монокристалле кремния. Оценка разрешения кристалл-дифра-

кционнной установки 40

3.1 Исследование эффекта аномального прохождения нейтронов при углах Брэгга, близких к 7г/2........... 40

3.2 Экспериментальная оценка разрешения двухкристаль-

ной установки по отношению к внешней силе....... 45

3.3 Требования к качеству кристаллов.............. 50

4 Эксперимент по проверке слабого принципа экви-

валентности для нейтрона кристалл-дифракционным методом 62

4.1 Идея эксперимента........................ 62

4.2 Анализ систематики эксперимента.............. 65

4.3 Анализ влияния внешних факторов на чувствительность экспериментальной установки................. 66

4.4 Экспериментальная установка..................................77

4.4.1 Схема установки..........................................77

4.4.2 Система термостабилизации рабочего кристалла 80

4.4.3 Система крепления кристалла с коллимирующи-

ми щелями................................................86

Заключение 88

Введение

Актуальность данной работы заключается в формировании и развитии нового направления исследований новых дифракционных явлений и их применений к изучению свойств ядерной материи и симметрий фундаментальных взаимодействий. Исследованные в работе дифракционные явления лежат в основе нового метода исследования малых воздействий на нейтрон [1], который будет применен для изучения гравитационных свойств нейтрона и, в первую очередь, проверки слабого принципа эквивалентности для нейтрона [2]. Стоит отметить, что природа гравитационного взаимодействия, несмотря на его широкую распространенность и присутствие во всех процессах связанных с жизнью человека, остается одной из наименее изученных. Кроме этого, представляет определенную проблему формулировка слабого принципа эквивалентности Эйнштейна для квантовомеханических объектов, которым и является нейтрон. Поэтому, несмотря на то, что эквивалентность инертной и гравитационной масс для макроскопических объектов проверена экспериментально с колоссальной точностью, проверка слабого принципа эквивалентности в квантовомеханическом пределе представляет собой отдельную и весьма важную задачу.

Основной целью данной работы является развитие принципиально нового метода изучения фундаментальных свойств нейтрона, основанными на дифракции в совершенном кристалле и достижении данными

методами лучшей мировой точности. В частности, проведено исследование дифракции по Лауэ при углах Брэгга, близких к 7г/2, целью которого является улучшение точности предложенного недавно эксперимента по проверке эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона дифракционным методом, и превышение лучшей мировой точности на данную физическую величину как минимум в десять раз.

Впервые была исследована дифракция нейтронов в высокосовершенном монокристалле кремния с характерным размером 220 мм при углах Брэгга, близких к ж/2, при этом показано, что теоретические предсказания динамической дифракции хорошо согласуются с экспериментальными данными и для нейтронов, в частности, наблюдается аномальное поглощение (эффект Бормана) даже при таких больших эффективных толщинах рабочего кристалла. Эти данные позволят развить принципиально новый дифракционный метод исследования малых (по порядку величины много меньших силы гравитационного взаимодействия нейтрона с Землей) сил на дифрагирующий нейтрон, обладающий беспрецедентной чувствительностью.

Результаты, полученные в работе, будут использованы для получения новой уникальной информации о необычных формах взаимодействия ядерной и кристаллической материи и формировании нового метода исследования симметрий фундаментальных взаимодействий, основанного на дифракции нейтронов в высокосовершенных кристаллах. Проделанная автором работа позволит дальше развить новые кристалл-диффракционные исследования свойств нейтрона с точностью, недостижимой другими методами и будет использоваться для получения важной информации о структуре материи. В первую очередь результаты работы будут использованы в предлагаемом экс-

перименте по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона кристалл-дифракционным методом. В эксперименте предполагается достичь точности в определении эквивалентности инертной и гравитационной масс на уровне а(пц/тд) ~ Ю-5, которая приблизительно на порядок выше достигнутой к настоящему времени. Эквивалентность инертной и гравитационных масс является основой общей теории относительности. И если для макроскопических объектом эта эквивалентность проверена с очень высокой точностью на уровне ~ Ю-12 [3,4], то для элементарных частиц эта величина лучше всего измерена для нейтрона и составляет всего ~2-10-1 [5].

На защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые проведены исследования динамической дифракции нейтронов по Лауэ в однокристальной и двухкристальной геометриях эксперимента в большом (¿ = 220 мм) высоко совершенном монокристалле кремния на плоскости отражения (220) при угах Брэгга, близких к 7г/2. Показано, что для дифрагирующих нейтронов наблюдается сильный ядерный эффект аномального прохождения (эффект Бормана).

2. Создана кристалл-дифракционная установка, обладающая высокой чувствительностью к внешнему воздействию на дифрагирующий по Лауэ нейтрон. Экспериментальное значение разрешения такой установки составило « 4 • Ю-11 эВ/см при угле дифракции 78°. При этом для имеющихся в мире высокоинтенсивных пучков холодных нейтронов разрешение такой установки может достичь = Ю-13 эВ/см.

3. Сверхвысокое разрешение двухкристальной установки позволит провести принципиально новый эксперимент по проверке слабо-

го принципа эквивалентности Эйнштейна для нейтрона. При этом точность в определении эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона достигнет величины а(тг/тпс) ~ Ю-5, что более чем на порядок превосходит современное значение для данной физической величины.

4. Проведен анализ возможных систематических эффектов, возникающих в предлагаемой схеме эксперимента. В частности, расчита-ны неинерциальные силы, действующие на нейтрон в лабораторной системе координат. Были проанализированы все возможные внешние факторы, влияющие на ее чувствительность к изменению искомой внешней силы. Показано, что имеющееся в наличии экспериментальное оборудование позволит контролировать воздействия внешних факторов на необходимом уровне и чувствительность экспериментальной установки составит <т(^ех<) « 5 • Ю-18 эВ/см за сто дней накопления статистики на существующем современном источнике холодных нейтронов.

Работа состоит из четырех основных глав. В первой главе приведен обзор кристалл-дифракционных методов исследования фундаментальных свойств нейтрона, кратко изложена история развития таких методов в Петербургском институте ядерной физики. Кратко описаны особенности динамической дифракции нейтрона по Лауэ (на прохождение) в больших высокосовершенных монокристаллах и, в частности, возникающие в таком случае специфические нейтроннооптические эффекты, детальное исследование которых являлось одной из основных задач работы. Также рассмотрена история исследований гравитационных свойств нейтрона и, в частности, эксперименты по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона. Отмечено, что пред-

лагаемый кристалл-дифракционный метод исследования малых воздействий на нейтрон позволит оценить отношение эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона на уровне а(тг/тс) = Ю~5, что является лучшим мировым значением для данной физической величины.

Вторая глава посвящена новому кристалл-дифракционному методу исследования малых воздействий на дифрагирующий нейтрон. Описан процесс дифракции нейтронов по Лауэ в высокосовершенных монокристаллах. Описана природа возникновения эффекта аномального прохождения нейтронов (эффекта Бормана). Далее рассмотрена теория дифракции при наличии внешней возмущающей силы, приведены оценки фактора „дифракционного усиления" малых воздействий на нейтрон при больших углах дифракции. Данное усиление является основой предлагаемого в работе метода исследования малых воздействий на дифрагирующий нейтрон. Далее подробно изложена суть предлагаемого метода.

В третьей главе описано экспериментальное исследование особенностей динамической дифракции нейтронов по Лауэ при углах Брэгга, близких к 7г/2. Приведены и интерпретированы результаты серии тестовых измерений с большим монокристаллом кремния ( Ь = 220) в однокристальной и двухкристальной схемах дифракции. Целью данных измерений являлось, во-первых, исследования эффекта аномального поглощения нейтронов и, во-вторых, оценка возможного разрешения двухкристальной дифракционной установки во внешней силе. Измерения показали хорошее согласие с теоретическим расчетами и по самым смелым оценкам величина разрешения установки может составить = Ю-13 эВ/см при работе на современном источнике холодных нейтронов. Также рассмотрены требования к объемному совершен-

ству структуры монокристалла кремния, который является основным узлом кристалл-дифракционной установки.

Четвертая глава посвящена готовящемуся в данный момент эксперименту по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона кристалл-дифракционным методом [2,6]. Описана основная идея эксперимента, дана оценка статистической точности в определении отношения инертной и гравитационной масс нейтрона, достижимой в предлагаемом подходе. Приведены расчеты возможных систематических эффектов, которые могут привести к ухудшению точности в эксперименте. Детально рассмотрена будущая экспериментальная установка, которая создается с учетом анализа возможной систематики. Показано, что имеющееся на данный момент экспериментальное оборудование и имеющийся в наличии монокристалл кремния позволяют достичь точности в определении отношения инертной и гравитационной масс нейтрона а(т{/гпс) ~ Ю~5, что и является целью эксперимента.

В конце приведены основные результаты и выводы работы.

Глава 1

Кристалл-дифракционные методы исследования фундаментальных свойств нейтрона. Гравитационное взаимодействие нейтрона и слабый принцип эквивалентности

1.1 История развития рентгеновских и нейтронных кристалл-дифракционных методов исследований в физике ядра и элементарных частиц в СССР и России

Данная работа посвящена исследованию особенностей динамической дифракции нейтронов по Лауэ (на прохождение) в больших высокосовершенных кристаллах при близких к прямому углах дифракции. Цикл

исследований был проведен в рамках разработки новых криста лл-диф-ракционных методов исследования фундаментальных свойств нейтрона и окружающей материи. Развитие кристалл-дифракционных методов исследования в нашей стране в большой степени связано с работами в этой области, проводимыми в Петербургском институте ядерной физики. Создание в 1956 г. П.И.Лукирским и О.И.Сумбаевым первого в стране кристалл-дифракционного спектрометра по Дю-Монду ГСК-1 [7] является по сути началом научной школы кристалл - дифракционных исследований в СССР. Развитие новых представлений физики дифракции излучения в кристаллах в работах этой школы привело к созданию уникальных в мире кристалл-дифракционных установок, с помощью которых проведены исследования в самых различных областях физики: наблюдение эффекта химического смещения рентгеновских линий К-серии тяжелых элементов [8-10], работы по изучению эффекта изотопического смещения для определения зарядовых радиусов ядер [11, 12], измерению эффектов сверхтонкого уширения и смещения рентгеновских линий, обусловленного сверхтонким взаимодействием тока электронной оболочки атома с магнитным моментом ядра [13, 14], изучение эффекта увеличения интенсивности отражения рентгеновского излучения (эффект пьезоквазимозаичности) от монокристаллических кварцевых пластин при помещении их между обкладками конденсатора [15], измерение спектров гамма-линий из (п,-у) реакции нечетно-нечетных ядер для построения детальных схем распада на 4-х метровом гамма-спектрометре по Кошуа ГСК-2М [16], а также измерения гамма-спектра активной зоны реактора в области 95-250 кэВ [17, 18].

В последние годы в Петербургском институте ядерной физики совместно с Санкт-Петербургским политехническим университетом ве-

дется активная работа по применению дифракции нейтронов в высокосовершенных монокристаллах для изучения свойств нейтрона: предложен уникальный метод поиска электрического дипольного момента нейтрона, основанный на использовании гигантских внутрикристалли-ческих электрических полей в нецентросимметричных кристаллах [19], который позволит достичь уровня точности в определении ЭДМ на уровне 10~-7 [20], сопоставимого с лучшими значениями, достижимыми другими методами; предложен метод исследования малых воздействий на дифрагирующий по Лауэ нейтрон [1], с помощью которого предлагается в первую очередь исследовать гравитационные свойства нейтрона как элементарной частицы.

Задачей данной работы является исследование эффектов динамической дифракции в большом кристалле кремния, которые лежат в основе предложенного метода исследования малых воздействий на дифрагирующий нейтрон и, в частности, в основе эксперимента по проверке слабого принципа эквивалентности для нейтрона. Для проведения кристалл-дифракционных экспериментов необходимы монокристаллы большой степени совершенства, и недавно был разработан и апробирован новый метод оценки совершенства, основанный также на эффектах динамической дифракции [21]. Данный метод позволяет с беспрецендентной точностью определять характеристики кристаллической структуры по всему объему исследуемого образца даже относительно большого размеры (с характерными линейными размерами до нескольких десятков сантиметров).

Более подробно вопрос о приложении кристалл-дифракционных методов к физике элементарных частиц рассмотрен в обзорах [22-24].

1.2 Эффекты, возникающие в динамической дифракции нейтронов по Лауэ при углах Брэгга, близких К 7г/2

При дифракции по Лауэ (на прохождение) хорошо известен эффект дифракционного усиления, заключающийся в том, что при малом изменении направления движения падающей частицы (или гамма-кванта) в пределах брэгговской ширины направление движения частицы внутри кристалла изменяется на угол Брэгга. Учитывая, что угловая ширина отражения составляет обычно несколько угловых секунд при угле Брэгга ~ 45°, коэффициент такого дифракционного усиления может достигать ~ 101 - 105. Этот эффект детально исследовался Като, который построил теорию дифракции рентгеновских лучей в слабоде-формированных кристаллах [25]. Для нейтронов данный эффект был экспериментально обнаружен в работе [26]. Недавно было экспериментально доказано