Экспериментальное изучение неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов (УХН) с малой передачей энергии (∼10-7 эВ) при взаимодействии с поверхностью твердых тел в гравитационном спектрометре тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛЫЧАГИН Егор Валерьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ НЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ (УХН) С МАЛОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ (~1(Г7 эВ) ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ГРАВИТАЦИОННОМ СПЕКТРОМЕТРЕ

РГБ ОД

2 е АВГ 2008

Специальность 01 04.16 — «Физика атомного ядра

и элементарных частиц» РГБ ОД

2 - АВГ 2008

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2008

□03445457

т

003445457

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики им. И М Франка Объединенного института ядерных исследований и Институте Лауэ - Ланжевена (Гренобль, Франция)

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук Александр Владимирович Стрелков (ОИЯИ, Дубна)

доктор физико-математических наук Валерий Викторович Несвижевский (ИЛЛ, Франция)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Василий Иванович Морозов доктор физико-математических наук Владислав Иванович Лущиков

Ведущая организация.

Институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), г. Москва

Защита состоится " 10" сентября 2008 года в часов на

заседании диссертационного совета Д 520 009.03 Российского научного центра «Курчатовский институт» по адресу. 123182 Москва пл. Академика Курчатова, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт».

Автореферат разослан " № " 2008 г.

Ученый секретарь j- У

диссертационного Ь^у^ауД А Л.Барабанов

совета, к ф -м н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Использование ультрахолодных нейтронов (УХН) в физических экспериментах привлекательно благодаря возможности их длительного удержания в замкнутом объеме — ловушке Так наиболее точное на сегодняшний день значение времени жизни свободного нейтрона и наиболее сильное ограничение на существование электрического дипольного момента нейтрона получены в экспериментах с УХН В различных научных центрах ведутся работы по созданию новых интенсивных источников УХН для развитая подобных экспериментов и повышения точности результатов

С момента открытия УХН до сегодняшнего дня практически во всех экспериментах по хранению УХН их потери из ловушек значительно превышают теоретически ожидаемые значения Для ловушек, изготовленных из таких слабо поглощающих материалов, как бериллий и твердый кислород, это превышение составляет ~102, -103 раз соответственно Данная проблема, названная "аномалией в хранении УХН", является одной из самых интригующих в современной нейтронной физике Корректный учет потерь нейтронов из ловушки и возможных изменений спектра УХН в процессе хранения нейтронов во многом определяет систематическую погрешность экспериментов с УХН Например, в измерении времени жизни нейтрона, в котором потери нейтронов при столкновении со стенкой конкурируют с Р-распадом нейтрона, изменение спектра во время хранения приводит к необходимости вводить соответствующие систематические поправки

В 1997 году был обнаружен дополнительный канал потерь УХН из ловушек, вызванный их рассеянием с увеличением энергии при ударе о поверхность на величину ~10"7 эВ Вероятность такого процесса составляла 108105 на один удар и на много порядков превышала теоретически ожидаемую величину Это явление получило название «малого нагрева УХН» В качестве механизмов, приводящих к малому изменению энергии УХН, рассматривались их рассеяние на водородных поверхностных загрязнениях, диффундирующих по поверхности, рассеяние на тепловых флуктуациях вязкой среды, рассеяние на поверхностных капиллярных волнах, проявление дополнительной степени свободы в гравитационном взаимодействии, и отражение от слабо связанных с поверхностью наночастиц, находящихся в состоянии постоянного теплового движения Определение механизма изменения энергии нейтрона требовало дополнительных экспериментальных данных

1

Интерес к исследованию малого нагрева УХН связан с одной стороны с необходимостью детального знания механизмов потерь УХН из ловушек для использования их в качестве «инструмента» исследований, а с другой стороны, как к новому явлению, которое потенциально может расширить область применения УХН Точное определение данного механизма должно позволить создать условия в будущих экспериментах, при которых дополнительные потери по данному каналу взаимодействия минимизированы и полностью контролируются, что в свою очередь должно привести к уменьшению систематических ошибок в этих экспериментах

Цель работы заключается в экспериментальном изучении неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов с малой передачей энергии (~107эВ) при взаимодействии с поверхностью твердых тел для определения механизма изучаемого явления и влияния его на хранение УХН С этой целью был развит метод экспериментального изучения малого нагрева УХН и опытным путем определены характерные параметры этого явления В качестве характерных параметров наблюдаемого явления определялись вероятность малого нагрева на один удар и зависимость этой вероятности от материала поверхности, ее предварительной обработки и температуры, измерялся спектр «малонагретых» нейтронов и зависимость наблюдаемых изменений этого спектра от начальной энергии УХН

Научная новизна. Впервые реализован метод исследования малых передач энергии ультрахолодным нейтронам со сбором неупруго рассеянных нейтронов, позволяющий экспериментально определять вероятность регистрации нагретых нейтронов

Впервые измерен дифференциальный спектр нейтронов после малого нагрева на поверхности нержавеющей стали

Впервые измерена температурная зависимость малого нагрева УХН на бериллии и меди и нанопорошке

Впервые экспериментально обнаружена сильная зависимость вероятности малого нагрева на нержавеющей стали и меди от температуры предварительного прогрева поверхности

Впервые наблюдался малый нагрев УХН при взаимодействии с алмазными наночастицами

Впервые проведены экспериментальные проверки гипотезы о «водородном» механизме малого нагрева и гипотезы «прилипания» УХН к поверхности

На основании полученных в работе результатов сделан вывод, что единственным процессом, который может объяснить совокупность полученных экспериментальных данных, является рассеяние УХН на свободных частицах (кластерах) размером 10 нм движущихся с их тепловыми скоростями При этом независимо от распределения частиц по размерам, нейтроны рассеиваются наиболее эффективно на наночастицах с размером - X (длина волны УХН), что позволяет однозначно указать наиболее вероятную передачу энергии на один удар -10'7 эВ при комнатной температуре ловушки

Научная и практическая ценность. Полученные в работе результаты

представляют интерес для специалистов в области исследований с УХН,

ведущих высокоточные измерения с удержанием УХН, в которых малый нагрев

может приводить к существенным систематическим погрешностям Из

результатов следует, что необходимо внимательно относиться как к выбору

материалов стенок ловушки, так и к процедуре подготовки ловушки Показано,

что монокристаллический сапфир является перспективным материалом для

ловушки, свободной от процессов малого нагрева на уровне 10"8 на удар

Созданный гравитационный спектрометр, позволяет измерять малый

нагрев УХН при взаимодействии с поверхностями в широком диапазоне

температур (80-600К) и диапазоне передаваемой энергии от 10 нэВ до 100 нэВ

Развитый метод позволяет получать надежные результаты для значения

вероятности малого нагрева на один удар о поверхность и измерять

дифференциальные спектры нагретых нейтронов

Обнаруженное неупругое рассеяние УХН на наночастицах открывает

целый ряд новых возможностей по использованию УХН в прикладных

исследованиях Так, например, с помощью УХН в созданной экспериментальной

установке можно изучать динамические свойства наночастиц, слабо связанных с

поверхностью, и наноструктур, что до сегодняшнего дня считалось

невозможным С другой стороны неупругое рассеяние нейтронов на

наночастицах может быть использовано для термализации нейтронов до

сверхнизких температур -0 1К, что дает возможность создания принципиально

нового источника УХН высокой плотности

3

Автор защищает следующие результаты:

1 Предложен новый метод исследования малого нагрева и охлаждения УХН — хранение неупруго рассеянных УХН в той же ловушке, что и начальный спектр УХН Метод позволяет измерять среднюю вероятность перехода нейтронов в процессе малого нагрева (а также охлаждения) и спектр нейтронов в конечном состоянии Использование хранительной методики, формирования спектра УХН верхним поглотителем, гравитационной спектрометрии позволяет минимизировать возможные систематические ошибки

2 Сконструирован гравитационный спектрометр (БГС), который является на сегодняшний день лучшей из существующих экспериментальных установок для изучения процессов малой передачи энергии УХН с точки зрения ширины исследуемого диапазона конечных состояний нейтронов, эффективности сбора нагретых УХН, возможности изменять температуру образца в широком диапазоне (80-550)К

3 Установлено, что исследованный малый нагрев УХН является одноактным процессом со средним увеличением энергии на -50 нэВ

4 Установлено, что вероятность малого нагрева УХН на поверхности нержавеющей стали и меди резко зависит от подготовки поверхности (температуры предварительного обезгаживания образцов, обработки реактивами) Максимальная вероятность в нашем случае достигала (4 5±0 3)-10"6 на удар о поверхность

5 С помощью микроскопа атомных сил установлено, что при температуре, соответствующей резкому росту вероятности малого нагрева на поверхности образцов, образуется наноструктура с характерным размером зерен -10 нм

6 Доказано, что наблюдаемое явление не связано с водородным

I

1 загрязнением поверхности (отсутствует корреляция между вероятностью малого

нагрева Р¥ и полными потерями УХН при отражении)

' 7 В измерениях с монокристаллическим сапфиром установлено, что

при отсутствии наночастиц на поверхности отсутствует и малый нагрев

8 Продемонстрировано, что нанесение на поверхность образца порошка наночастиц увеличивает вероятность малого нагрева на несколько порядков величины, причем спектральные и температурные зависимости аналогичны полученным с металлическими образцами

4

/

9 Сделан вывод, что единственным процессом, который может объяснить совокупность полученных экспериментальных данных, является рассеяние УХН на свободных частицах (кластерах) если их размеры составляют -10 нм, движущихся с тепловыми скоростями При этом независимо от распределения частиц по размерам, нейтроны сами "выбирают" наночастицы с размером ~ X, что позволяет однозначно указать наиболее вероятную передачу энергии на один удар ~10"7 эВ при комнатной температуре ловушки

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа содержит 111 страниц, включает 41 рисунок, 8 таблиц, 82 наименования цитируемой литературы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В ведении в справочном виде даны общие положения теории взаимодействия УХН с конденсированными средами Вводятся используемые в тексте физические величины, такие как потенциал взаимодействия УХН со средой U, вероятность потерь УХН на удар о поверхность //, фактор потерь^, приводятся выражения для зависимости коэффициента потерь от скорости нейтрона и связь вероятности потерь с фактором потерь, сечениями захвата сга и неупругого рассеяния crle Рассмотрены общая постановка эксперимента по хранению УХН, такие величины как время хранения нейтронов тя и время вытекания на детектор гет Приведены выражения для связи времени хранения нейтронов с вероятностью потерь

Далее сказано о том, чем вызван интерес к ультрахолодным нейтронам (возможность применения этих нейтронов для определения времени жизни нейтрона и наличия у нейтрона электрического дипольного момента), кратко рассказано о проблеме аномалии в хранении УХН, поиске малого нагрева и вопросах, которые возникли при его обнаружении В конце введения представлена структура работы

В первой главе приведен краткий обзор наиболее интересных и показательных экспериментов, посвященных изучению неупругого взаимодействия УХН с поверхностью твердых тел Неупругое рассеяние УХН, как возможная причина их потерь из ловушек, рассматривалось в первую очередь Рассмотренные работы разбиты на три группы по энергии рассеявшихся

УХН, а глава разбита соответственно на три параграфа Первая группа -эксперименты, в которых главным образом предполагался нагрев УХН в область энергий тепловых нейтронов (~10"2эВ) Вторая группа работ — это эксперименты, направленные на обнаружение гипотетического нагрева УХН в область энергий значительно меньших чем энергия тепловых нейтронов, так называемого «малого нагрева» (~108-10~4эВ) Третья группа - эксперименты, в которых искался «миллинагрев» УХН, то есть квазиупругое рассеяние УХН, при котором энергия нейтрона почти не изменяется (рассматриваются изменения энергии всего на Ю"9-Ю"10 эВ)

Работы первых двух групп выполнены при помощи техники регистрации потока нейтронов, исходящего от сосуда с УХН Разница между ними, как правило, заключается в толщине стенок ловушек и материале стенок ловушек (применение более тонких стенок позволяет уменьшить потери нейтронов в стенках и дает возможность регистрировать нейтроны с меньшими энергиями, а использование веществ, у которых сечение неупругого рассеяния больше сечения захвата, позволяет регистрировать нейтроны, проникшие внутрь стенки по любой причине и нагревшиеся до тепловых энергий на веществе стенки)

Экспериментально было показано, что значительная часть дополнительных потерь УХН из ловушек может быть объяснена рассеянием нейтронов в диапазон тепловых энергий на поверхностных водородосодержащих примесях Водород был обнаружен на поверхности практически всех веществ, применяемых для изготовления ловушек УХН методом ядерных реакций В зависимости от способа очистки поверхности, его концентрация в приповерхностном слое толщиной -10 нм колеблется в пределах от 5 1014 см2 до 5 1016 см"2

Наиболее интересны эксперименты с бериллием тк для этого вещества наблюдается наибольшая разность между экспериментально достигнутыми потерями УХН и потерями, предсказанными теорией Исследование полных потерь на глубоко охлажденном бериллии показали что, несмотря на тщательную очистку поверхности и последующий контроль состава поверхности, величина полных потерь в сто раз превосходила расчетную величину При этом избыточные потери практически не зависели от температуры (в диапазоне от 15 К до 800 К) Исследование неупругого рассеяния УХН в область тепловых энергий показало, что уже при 80 К поток нагретых

б

нейтронов намного меньше потока, соответствующего вероятности наблюдаемых избыточных потерь Исследования бериллиевого образца нейтрон-радиационным методом показывают, что даже после длительного отжига остаточная концентрация поверхностного водорода приводит к потерям по каналу захвата на бериллии на уровне 3 10 5, что соответствует только -30% от аномальных потерь Из-за отсутствия объяснения причин дополнительных потерь УХН, данная проблема получила название аномалии хранения УХН Поиск объяснений привел к гипотезе «малого нагрева УХН»

Экспериментаторы пытались наблюдать малый нагрев УХН еще в первых экспериментах по изучению неупругого рассеяния УХН После формулировки проблемы аномалии хранения, интерес к обнаружению таких гипотетических процессов многократно возрос В специально поставленных экспериментах были установлены ограничения на вероятность малого нагрева, но на уровне больше, чем имеющаяся аномалия и ограничения на энергию нагретых нейтронов более 2 10"6эВ

В эксперименте по поиску малого нагрева с установкой «МАНАГР» (Малый НАГРев) был обнаружен эффект, который сначала был проинтерпретирован как подбарьерное проникновение УХН Однако вскоре было установлено, что нейтроны в редких случаях (с вероятностью ~10'7 на удар о поверхность) изменяют свою энергию примерно в два раза при отражении от поверхности Эти нейтроны получили название В УХН («выпаривающиеся» УХН) Причина таких изменений установлена не была

Рассмотренные работы поучительны с методической точки зрения В качестве доказательства происхождения регистрируемых нагретых нейтронов из УХН демонстрировалась пропорциональность временной зависимости скорости счета нагретых нейтронов числу УХН, остающихся в сосуде Для учета влияния примеси нейтронов с энергией, незначительно превышающей граничную энергию стенок ловушки, проводились дополнительные измерения с разделительными фольгами на входе в ловушку и предварительное формирование спектра нейтронов Для спектрометрии регистрируемых нейтронов использовались газовые детекторы с изменяемой эффективностью или варьируемые поглотители между ловушкой УХН и детектором нагретых нейтронов Эффективность регистрации нагретых нейтронов определялась по регистрации УХН, рассеявшихся на атомах гелия, которым заполнялись объемы хранения нейтронов

Несколько особняком стоят работы по поиску квазиупругого отражения УХН В этих работах изменение спектра нейтронов практически не влияет на хранение нейтронов Обычно в ловушке формируется спектр УХН с резкой границей или в виде узкой линии, а затем после некоторого времени хранения анализируется размытие границ спектра Наиболее жесткое ограничение на такое квазиупругое отражение УХН от поверхности получено (в несколько другой постановке) в установке по изучению гравитационных уровней нейтрона в гравитационном поле Земли В этой работе установлено, что вероятность квазиупругого процесса в диапазоне энергий 6 10'13-=-3 10'10 эВ не превышает 10%

Во второй главе описан предложенный метод изучения малых передач энергии между нейтроном и поверхностью В ней обосновывается выбор этого метода и сравниваются различные его реализации Описана общая схема эксперимента, временная диаграмма цикла измерений Рассмотрены возможные систематические эффекты, процедура выбора параметров временной диаграммы с точки зрения исключения этой систематики Представлены выражения для вычисления вероятности малого нагрева и охлаждения, описаны процедуры измерения вероятности регистрации нагретых нейтронов и спектров УХН и ВУХН

Метод заключается в том, что УХН запираются в ловушке — гравитационном спектрометре, где формируется известный спектр нейтронов В процессе хранения нейтроны, взаимодействуя с поверхностью образца и ловушки, изменяют свою энергию (увеличивают или уменьшают) Нейтроны, изменившие свою энергию, могут тоже храниться в ловушке и, вытекая из нее, регистрируются детектором Спектр нагретых нейтронов измеряется в спектрометре Преимуществами метода являются возможность экспериментального определения вероятности регистрации ВУХН, проведение измерений в низкофоновых условиях (маленький детектор, защищенный от УХН, нагревающихся на стенках объема хранения), измерение дифференциального спектра ВУХН

Исследовались поверхности из меди, бериллия, нержавеющей стали (материалы, традиционно используемые для стенок ловушек УХН) и монокристаллического сапфира, алмазной нанопыли для проверки гипотезы о природе изучаемого явления Большой объем измерений был проведен с

нержавеющей сталью, поскольку вероятность нагрева УХН на ней оказалась максимальной, и использование этих образцов позволяло максимально быстро набирать статистику при изменении условий эксперимента

Схемы двух возможных постановок эксперимента показаны на рис 1 и рис 2 Нагретые нейтроны могут отделяться от нейтронов из начального спектра либо при помощи тонкой фольги с подобранной граничной энергией (рис 1), либо гравитационным барьером (рис 2) Применение гравитационного барьера позволяет регистрировать нагретые нейтроны в более широком диапазоне, чем разделительная фольга при одинаковом начальном спектре УХН

Рис 1 Схема эксперимента

а) схема для измерений малого нагрева с разделительной фольгой,

б) схема для измерений малого нагрева по вкладу в полные потери, Пояснения в тексте

УХН по нейтроноводу от реактора поступают в спектрометр (рис 1), представляющий собой высокую ловушку (1), в которой нейтроны могут быть заперты при помощи заслонок (2) и (3) Перед входной заслонкой расположен шибер (4), который в закрытом состоянии непроницаем для УХН

Спектр хранящихся УХН обрезается сверху поглотителем (5), устанавливаемым на определенной высоте Н0, соответствующей энергии Е^ оВ

Рис 2 Схема эксперимента с гравитационным барьером Пояснения в тексте

Детектор УХН (б) присоединен к спектрометру через изогнутый нейтроновод для того, чтобы уменьшить фон, связанный с регистрацией нагревшихся на стенках ловушки до тепловых энергий УХН Детектор отделен от объема хранения в одних измерениях (рис 1, а) разделительной алюминиевой фольгой (7) площадью 50 см2, имеющей граничную энергию Еш значительно меньше граничной энергии остальной поверхности ловушки в других измерениях— гравитационным барьером (7, рис 2), высота которого соответствует энергии ЕЬатЛ, или (рис 1, б) - выходной заслонкой (3), аналогичной входной заслонке (2) Детектор (6) расположен ниже дна спектрометра, поэтому нейтроны, ускорившись в гравитационном поле, с большей вероятностью преодолевают потенциальную энергию входного алюминиевого окна детектора (-50 нэВ)

Поток УХН в спектрометре может измеряться мониторным детектором (8), аналогичным основному детектору (б) УХН в монитор попадают из объема хранения через маленькое (практически не вносящее дополнительных потерь УХН) отверстие в дне ловушки

Процедура измерения нагрева состоит из повторяющейся последовательности действий

1 Наполнение спектрометра УХН в течение времени

2 Формирование начального спектра УХН или чистка спектра от нейтронов с энергией больше Етод <Еш,ЕаЛ& <ЕЪотй) в течение МЫеаг (время чистки) — хранение УХН, во время которого нейтроны с энергией больше сталкиваясь с поглотителем, установленным на высоте #0, покидают ловушку или попадают в детектор, перепрыгнув барьер или проникнув через разделительную фольгу

3 Регистрация ВУХН Для увеличения вероятности регистрации поглотитель после чистки поднимается вверх, на высоту НаЫ, и регистрируются ВУХН с энергией меньше энергии, соответствующей Подъем поглотителя никак не влияет на спектр УХН в спектрометре, так как к моменту его поднятия в спектрометре уже нет нейтронов, «допрыгивающих» до него

4 Возвращение установки в исходное состояние По окончании цикла поглотитель опускается на исходную высоту Я0

В данной постановке можно изучать как процессы малого нагрева нейтронов, так и процессы их охлаждения (схема измерений претерпевает небольшие изменения) В схеме эксперимента, представленной на рис 1 можно также оценить интегральную вероятность малого нагрева без разделения спектров начального и конечного состояния по вкладу в полные потери В диссертационной работе описаны соответствующие процедуры измерения охлаждения УХН и измерения вероятности малого нагрева по вкладу в полные потери

Далее рассмотрена возможность контроля ложных эффектов, вызванных кратковременным возмущением спектра УХН, по характерному времени спада интенсивности регистрации ВУХН Рассмотрены систематические эффекты, связанные с просачиванием УХН из объема хранения через возможные щели в уплотнении разделительной фольги или гравитационного барьера и с нейтронами из первоначального спектра с энергией выше энергии обрезания спектра, оставшимися после чистки (после поднятия поглотителя), так называемыми "недоочшценными" нейтронами Приведены методы контроля этих эффектов Описаны процедуры выбора параметров измерения Дtclear и cut off > ПРИ которых систематический эффект от недоочищенных нейтронов отсутствует Указан метод уменьшения систематических эффектов в измерении вероятности малого нагрева по вкладу в полные потери и возможности определения верхней границы вероятности исследуемого процесса в этом измерении

Далее показано, что если хранение и УХН, и ВУХН в ловушке можно характеризовать некоторыми средними временами хранения tucn и tivcn , то для вероятности нагрева Р+ на один удар о поверхность, под которой подразумевается средняя вероятность перехода из области энергии УХН от 0 до ЕмоВ в область энергий ВУХН от Етй до НаЫ, можно получить простые выражения В эти выражения входят измеряемые в цикле величины полное число зарегистрированных за цикл ВУХН и плотность потока УХН в конце чистки (или отношение скорости счета детектора, регистрирующего ВУХН, к скорости счета мониторного детектора в конце цикла измерений) и такие параметры как тио1, Ту^, эффективность регистрации ВУХН - Р^, эффективная площадь образца Seff{Evai) Параметры усредняются по измеряемым спектрам УХН и ВУХН

Аналогичные формулы получены и для вероятности охлаждения УХН Вероятность регистрации ВУХН равна парциальной вероятности попадания нейтрона в детектор Конкурирующие процессы — гибель в поглотителе (в случае нагрева), потери нейтрона на стенках ловушки, Р-распад нейтрона Эти времена могут быть определены экспериментально и получено экспериментальное значение для эффективности регистрации нейтронов В случае использования разделительной фольги для выделения ВУХН существуют дополнительные (по сравнению со случаем, когда используется гравитационный барьер) потери нейтронов в фольге, но и в этом случае вероятность регистрации может быть определена экспериментально Далее описаны процедуры для экспериментального определения параметров, входящих в выражения для вероятности нагрева

Для измерения спектра УХН и ВУХН необходимо измерить зависимость числа сосчитанных УХН (в геометрии с двумя заслонками, рис 1, б) или ВУХН (в геометрии с разделительной фольгой, рис 1, а) от высоты поглотителя для каждого исследовавшегося образца Зависимость числа сосчитанных за цикл ВУХН от высоты верхнего положения поглотителя НаЫ определяется выражением

и аЕ

ч

где Е0 — минимальная энергия в спектре (Е0 = 0, при измерении спектра УХН,

I

Е0 = ЕШ при измерении спектра ВУХН) Поэтому, чтобы определить

дифференциальный спектр УХН или ВУХН ^иаг, нужно численно

¿Е

I

продифференцировать зависимость ^(Н^) и поделить ее на измеренную , функцию эффективности регистрации нейтронов е(Е) Для ВУХН

т (Е)

е(Е) з Р„ (Я) Для УХН е(Е) =-"■ -, а постоянные времена измеряются

в эксперименте

В третьей главе приведено подробное описание трех экспериментальных установок — гравитационных спектрометров, использованных в экспериментах ! Каждой установке посвящен отдельный раздел главы, в котором подробно

описаны конструктивные особенности установки и представлены типичные

12

экспериментальные зависимости В первом и во втором разделах содержатся данные о спектрометрах, в которых для выделения ВУХН использовалась разделительная фольга, а в третьем разделе — о спектрометре с гравитационным барьером

Первый спектрометр — спектрометр, в котором эффект малого нагрева УХН был впервые обнаружен В этом спектрометре из нержавеющей стали были проведены первые измерения эффекта и получены первые оценки вероятности малого нагрева УХН Конструкция спектрометра не позволяла измерять эффективность регистрации ВУХН, которая была подавлена из-за больших размеров спектрометра и малого времени хранения нейтронов Результаты, полученные с этим спектрометром, подтвердили существование эффекта малого нагрева и показали, что гравитационный спектрометр может быть использован и для изучения охлаждения УХН В этом спектрометре было показано наличие такого охлаждения на поверхности нержавеющей стали

Второй спектрометр был выполнен из меди, поскольку поток ВУХН от большинства образцов был незаметен на фоне гораздо большего потока ВУХН от стенок нержавеющего спектрометра Конструкция медного спектрометра не позволяла установить мониторный детектор для измерения плотности УХН, поэтому мониторирование проводилось в отдельном измерении Отсутствие монитора, невозможность измерить эффективность регистрации ВУХН, трудоемкая процедура смены образца (требующая разгерметизации установки) являются недостатками такой установки

Однако к несомненным достоинствам медного спектрометра можно отнести следующие три его особенности

1 По сравнению с предыдущим спектрометром уменьшение объема хранения почти в 10 раз при незначительном уменьшении времени хранения нейтронов в медном спектрометре позволило поднять плотность нейтронов в спектрометре, что позволило увеличить эффективность сбора УХН и скорость набора статистики

2 Конструкция спектрометра предусматривала возможность прогрева спектрометра до Т~850К и охлаждения спектрометра вместе с образцом до температуры жидкого азота, что необходимо для измерения температурной зависимости эффекта малого нагрева

3 Вероятность малого нагрева на стенках спектрометра оказалась небольшой, что позволило провести измерения вероятности малого нагрева от различных образцов, вводимых в объем хранения

Экспериментальное определение вероятности регистрации ВУХН в таком спектрометре не могло быть реализовано Однако были проведены измерения, позволяющие выбрать среднюю энергию УХН и энергию ВУХН для определения нижней границы вероятности малого нагрева

Третий спектрометр «Большой гравитационный спектрометр» (БГС) — установка, которая была сконструирована специально для изучения малого нагрева УХН

Конструкция спектрометра позволяет

- хранить УХН с энергией от 0 до 50 нэВ,

- хранить ВУХН с энергией от 30 до 150 нэВ,

- вести измерения в диапазоне температур от 80 К до 600 К с контролем температуры образца и при высокой вакуумной гигиене,

- эффективно формировать резко ограниченный спектр нейтронов при различных температурах,

- эффективно разделять спектр УХН и ВУХН,

- вести разностные измерения с образцом - без образца, не нарушая вакуум установки,

- эффективно регистрировать ВУХН (с эффективностью -50%), измерять эффективность регистрации и дифференциальные спектры УХН,

- быстро менять образцы (при заполнении установки инертным газом перерыв в измерениях при смене образца занимает не более часа),

- адаптировать установку для различных экспериментальных задач

В четвертой главе приведены результаты, полученные в измерениях на спектрометрах с разделительной фольгой

Вероятности малого нагрева для различных веществ при комнатной температуре приведены в таблице 1 Поскольку в использованных спектрометрах с разделительной фольгой вероятность регистрации ВУХН не измерялась экспериментально, а оценивалась, то и приведенные значения Р+ следует рассматривать как экспериментальную оценку вероятности изменения энергии нетрона из диапазона энергий 0-50 нэВ в диапазон 50 - 150 нэВ Величина Р+

оценивалась из результатов измерений с привлечением измеренных спектральных данных Во второй колонке таблицы 1 приведена нижняя граница вероятности Рг , измеренная в эксперименте с пропусканием сквозь алюминиевую фольгу, а в четвертой — верхняя граница Р^, оцененная из измерений по вкладу малого нагрева в полные потери УХН из ловушки В последней колонке приведены значения среднего коэффициента потерь (/г) на поверхности образца

Таблица 1

Поверхность при Т=300К (90%) ю-7 Р1 10 7 Р^ (90%) ю-7 10 4

Ве (образец 1) 08 -5 11 0 42 ± 0 02

Ве (образец 2) 14 ~ 8 0 80 ± 0 02

Си (стенки спектрометра) 1 6 - 10 3 4 ±0 2

Си (стенки спектрометра) после обезгаживания 042 0,68 ±0,13 127 ±0 5

Нерж. сталь (стенки спектрометра) 46 5,4 ± 0,4 18 3 ±02

Нерж. сталь (образец 1) 9 -50 110 1 5± 0 1

Нерж. сталь (образец 2) 19 3,1± 0,6 6 2 ± 1 4

Нерж. сталь (обезгаженный образец) 48 5,6 ± 0,4 0 08 ± 0 87

Основной вывод, следующий из таблицы, заключается в том, что эффект малого нагрева уверенно наблюдается на различных материалах медь, нержавеющая сталь, бериллий, а величина эффекта сильно меняется даже для различных образцов из одного материала (нержавеющая сталь)

Вероятность охлаждения УХН при взаимодействии с поверхностью была измерена в нержавеющем спектрометре с помещенным в него образцом из нержавеющей стали площадью 1 м2 Можно предположить, что поскольку наблюдаемый эффект малого нагрева на стенках спектрометра не удалось увеличить, помещая в спектрометр различные образцы, то и охлаждение идет главным образом на стенках самого спектрометра Результат этого измерения Р, =(1,0 ±0,1) 10~7 может быть сравнен с вероятностью малого нагрева на поверхности пустого спектрометра = (5,4 ± 0,4) 10~7 Данный результат можно

оценивать как демонстрацию применимости предложенного метода и для изучения процессов охлаждения УХН

Охлаждение образца от комнатной температуры до температуры 100 К привело к уменьшению скорости счета детектора в ~2 раза как в измерениях с пустым медным спектрометром, так и в измерениях с бериллиевым образцом внутри него Данное изменение может быть обусловлено как уменьшением вероятности малого нагрева, так и изменением спектра ВУХН Если предположить, что спектр ВУХН не изменился, то наблюдаемое изменение скорости счета соответствует уменьшению вероятности малого нагрева нейтронов в ~2 5 раза, с учетом того, что при охлаждении сосуда возрастает время хранения, а значит, и большая доля ВУХН попадает в детектор

Интересно сравнить температурные зависимости вероятности малого нагрева и вероятности потерь УХН на исследуемых образцах (Таблица 2) Эти данные для двух бериллиевых образцов показаны на рис 3 Штриховой линией показана величина аномалии хранения УХН на бериллии (/лапот= 13 10~3 для использовавшегося спектра УХН) Для бериллиевого образца эти две зависимости практически строго пропорциональны В пустом медном спектрометре подобная пропорциональность не наблюдается

Возможно, пропорциональность температурных зависимостей (¡и) и Р+ указывает на общую природу этих процессов — малого нагрева и нагрева в тепловую область Однако могут быть справедливы и следующие рассуждения мы наблюдаем только сравнительно малую долю от всех рожденных ВУХН, попадающих в «видимое» нами энергетическое «окно», а наблюдаемая температурная зависимость есть только изменение вероятности попадания ВУХН в это «окно» Таблица 2.

Поверхность Т,К р. ДО

Ве (образец 1) 300 (9 5±0 8) 10"8 (4 2±0 2) 10'5

100 (4 0±0 3) 10"8 (1 7±0 1) 10'5

Ве (образец 2) 300 (16±01) 10"7 (8 0±0 2) 10"5

100 (3б±0 3) 10'5

Си (поверхность спектрометра) 300 (2 2±0 3) 10"7 (3 4±0 2) 10'4

100 (9 1±1 2) 10"8 (2 5±0 1) 10 4

■ Ив. Be 1m • Mb. Be 2 6m2

i

□ - P, Be 1m о - P, Be 2.6m:

Anomaly

s

-2,0 -1.5

T3 *

■1,0 ° Ы

-0,5

50 100

150 200

T,K

250 300

-0,0

Рис 3 Сравнение температурных зависимостей вероятности малого нагрева Р+ (правая ордината, светлые символы) и вероятности потерь УХНна бериллиевых образцах /иВе (левая ордината, черные символы) Штриховая линия — аномалия хранения УХНв единицах вероятности потерь

Гипотеза временного прилипания некоторых надбарьерных УХН к шероховатым стенам ловушки, была проверена в отдельной серии измерений Измерения показывают, что со статистической точностью выше 10%, полное число сосчитанных ВУХН, так же как и временная зависимость скорости счета, не зависят от положения поглотителя во время наполнения спектрометра В то же время, поток надбарьерных нейтронов отличается в -2,5 раза Таким образом, поток ВУХН не зависит от числа надбарьерных нейтронов в начальном спектре, но пропорционален плотности УХН внутри объема хранения, что противоречит обсуждаемой гипотезе

В пятой главе представлены основные результаты, полученные в «БГС» Дифференциальный спектр ВУХН был измерен на образце из нержавеющей стали

На рис 4 показана зависимость числа сосчитанных за один цикл ВУХН от высоты верхнего положения поглотителя Я^ (темные кружки), и результат вычисления спектра ВУХН из этой экспериментальной зависимости (светлые

17

кружки), с учетом экспериментальной зависимости эффективности регистрации ВУХН от их энергии

24-1

22-

к 20-

z s»»» 18-

О

£ 16-

о к- 14-

& 12-

z

и 10-

=>

> 8-

О 6-

1т

1 4-

3 Z 2-

0-

s

ï J 1 i ®

• V

i I

-L fi

i

i E Л

А

9

60

80

100

120

Absorber height (H ),cm

F

J_140

1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

H 0,0 160

Рис 4 Спектр ВУХН в спектрометре с образцом из нержавеющей стали Темные кружки (левая шкала) соответствуют "интегральному" спектру ВУХН, светлые кружки (правая шкала) - дифференциальному спектру ВУХН

Важный вывод следует из формы дифференциального спектра ВУХН малый нагрев происходит только за один удар, а не является результатом многоступенчатого процесса Действительно, если допустить, что наблюдается результат, например, двухступенчатого процесса, и учесть, что в конечное состояние нейтроны попадают с вероятностью 10^ + 107, то вероятность увеличения энергии на одну ступень будет составлять ~10'\ что даст многократно более сильную зависимость числа ВУХН от их энергии, нежели наблюдаемая К тому же величина этой вероятности зачастую превышала бы величину полной вероятности потерь УХН, что невозможно

Спектры ВУХН, измеренные на некоторых других образцах и при других энергиях УХН (других Нв), облучающих образцы, не отличаются статистически от представленных Эффективности регистрации ВУХН также весьма близки для различных образцов Поэтому, если не проводились какие-то

особые действия со спектрометром (например, охлаждение спектрометра или его

18

дополнительное обезгаживание), принималось, что спектр ВУХН такой же, как на рис.4, а зависимость такая же, как на рис.3. Средняя

эффективность регистрации ВУХН при этом составляет -50%. Все значения вероятности малого нагрева Р+ оценены для Ртсм = 50%.

Зависимость вероятности малого нагрева от предварительной обработки поверхности образца изучалась с целью установить, может ли меняться вероятность малого нагрева в зависимости от процедуры и режимов обработки поверхности.

5,0-,

4,0

= 3,0

2,0

1,0-

0,0

13

а

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Ойдаззид 1етрегаШге, °С

Рис. 5. Зависимость вероятности малого нагрева на образах из нержавеющей стали (сплав АШ 304) от температуры их предварительного обезгаживания.

На рис. 5 представлены результаты измерений вероятности малого нагрева УХН на поверхности нержавеющей стали при различной температуре предварительного обезгаживания образцов. Образцы были изготовлены из фольги толщиной 0.1 мм (фирма "ОооёРеПош", сплав АШ 304, весовой состав: Бе, С-0.049%, Сг-18.2%, №-8.66%, 81-0.58%, Мп-1.04%, Р-0.021%, Э - 0.007%). Обезгаживание образцов проводилось в кварцевой ампуле при постоянной температуре в течение пяти часов в вакууме ~10"5 мбар. После охлаждения образцы переносились в спектрометр в атмосфере инертного газа. Вероятность Р+ измерялась при комнатной температуре. Полученные результаты были подтверждены независимыми измерениями на другом, идентично

приготовленном образце На рис 5 темные и светлые кружки — результаты измерений с одним и с другим образцами соответственно

Из полученных результатов можно сделать несколько важных выводов Во-первых, вероятность малого на1рева на одном и том же образце может меняться более чем на 2 порядка величины в зависимости от температуры предварительного обезгаживания Во-вторых, эта зависимость была воспроизведена дважды (те для двух образцов), поэтому она не может имеет случайный характер В-третьих, наблюдаемые максимальные значения Р+ сравнимы с вероятностью "аномальных" потерь (~ 1СГ5), что означает, что ими нельзя пренебрегать при анализе экспериментов с хранением УХН

Исследование поверхности образцов при помощи микроскопа атомных сил показало, что при обезгаживании на поверхности исследованных образцов из нержавеющей стали, возникает мелкозернистая структура с характерным размером зерен -10 нм То, что вероятность малого нагрева больше на тех образцах, на поверхности которых больше наночастиц, указывает на то, что, возможно, малый нагрев связан с неупругим рассеянием УХН этими зернами Для того чтобы обеспечить вероятность малого нагрева - 105, достаточно, чтобы на сто тысяч зерен на поверхности с размером -10 нм приходилось только одно зерно, слабо связанное с поверхностью Проверить это при помощи микроскопа атомных сил не представляется возможным

Вероятность малого нагрева Р+ после обезгаживания при температуре

-400 С увеличилась приблизительно в 10 раз и на меди (внутренняя поверхность спектрометра) К существенному увеличению вероятности малого нагрева (-4 раза) привело травление в Ш7 нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т

Гипотеза о водородосодержаших загрязнениях поверхности как о причине малого нагрева была проверена измерениями вероятности Р+ на поверхности образцов из нержавеющей стали и вероятности полных потерь ц на этих образцах Результаты измерений представлены в Таблице 3 Образцы №1 и №2 идентичны друг другу В последней колонке таблицы указано экспериментальное значение фактора потерь г|

Из таблицы 3 видно, что, во-первых, зависимость от вероятности потерь для данных образцов имеет обратный характер, а во-вторых, экспериментальное значение фактора потерь после обезгаживания при 450 С близко к

20

теоретическому значению (если принять во внимание только захват, то т]1Ыог -1 10 4), то есть водорода на поверхности слишком мало, чтобы обеспечить вероятность малого нагрева -106

Таблица 3

Образец Б=0 7 м2 Температура обезгажпвания, °С Р, Ю"7 ю-4 ?7 • 10"4

№1 200 -0 2±0 15 3 10±0 04 5 4010 07

№1 450 12 7±0 22 0 81±0 05 1 41+0 08

№2 200 0 2±03 1 92±0 04 3 35±0 07

№2 450 4 9+0 22 0 701003 1 22±0 05

Малый наглев на монокристаллическом сапфире и алмазном нанопорошке исследовался с целью проверить правильность гипотезы о том, что малый нагрев объясняется взаимодействием УХН со слабосвязанными частицами на поверхности Одной из проверок гипотезы является измерение вероятности малого нагрева на веществе, на поверхности которого подобных частиц нет Наилучшими кандидатами для таких материалов являются монокристаллы, так как их поверхность наиболее свободна как от водородосодержащих загрязнений, так и от наночастиц

Одним из образцов, удовлетворяющим указанным требованиям, является монокристаллический сапфир (АЬОз) Исследование различных участков поверхности монокристалла сапфира с помощью микроскопа атомных сил не выявило наличия на ней наночастиц

Таблица 4.

Образец Температура обезгаживания, °С Р+ 10"7 4(Е)) М- 1] 10"4

Сапфир, Э=1 м2 200 0 010 12 0 66+0 01 0 97±0 015

В Таблице 4 представлены результаты измерения вероятности малого нагрева и вероятности потерь УХН при взаимодействии с поверхностью монокристаллического сапфира Измерение проводилось при комнатной температуре Вероятность малого нагрева на образце не превышала -108 на один удар о поверхность Измеренное значение фактора потерь в -20 раз превосходит теоретическое значение (по захвату - 5 10"6) По-видимому, большое

21

отличие от теории объясняется присутствием на поверхности остаточного количества водорода, который не ушел с поверхности из-за низкой температуры обезгаживания образца, проводимого непосредственно в спектрометре

Другой проверкой гипотезы о наночастичной природе малого нагрева является измерение вероятности малого нагрева на порошке наночастиц Для проведения такого измерения непосредственно на медное дно спектрометра был насыпан порошок (~3 см3), состоящий из отдельных кристаллов алмаза со средним размером кристаллов ~5 нм (производитель Ultradiamond Technologies Inc) и равномерно распределен по площади -200 см2

По сравнению с измерением с пустым спектрометром количество ВУХН выросло на два порядка величины, притом, что площадь спектрометра, облучаемая УХН, в -20 раз больше площади поверхности, на которой лежит порошок Если считать, что УХН взаимодействуют с порошком, как с плоской поверхностью, то есть не "закапываются" в толщу порошка, то вероятность малого нагрева будет составлять Р+ ~10"3, а вероятность потерь УХН ц -10"2

Были измерены зависимости полного числа сосчитанных за цикл ВУХН, отнесенного к счету монитора за это же время, в измерениях с порошком алмазных наночастиц при температурах 300 К и 108 К Это отношение пропорционально вероятности малого нагрева Оно уменьшилось примерно в 2 раза при изменении температуры от комнатной до азотной, что близко к наблюдавшейся в работах температурной зависимости вероятности малого нагрева на бериллии (рис 3) Однако, корректное сравнение может быть произведено только после измерения вероятности регистрации ВУХН

В заключении кратко сформулированы основные результаты и сделаны выводы о возможном практическом применении полученных результатов и изучаемого явления, где указано, что кроме необходимости учитывать представленное явление в экспериментах с УХН, обнаруженное неупругое рассеяние УХН на наночастицах открывает целый ряд новых возможностей по использованию УХН в прикладных исследованиях

Апробация диссертации. Основные результаты диссертации были доложены на III открытой конференции молодых ученых и специалистов (ОИЯИ, Дубна, 1999), конференциях International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei

(ISINN-8, ОИЯИ, Дубна, 2000), International Seminar on Interaction of Neutrons

with Nuclei (ISINN-10, ОИЯИ, Дубна, 2002)

Работы, положенные в основу диссертации, были отмечены второй премией

ЛНФ ОИЯИ за 1998 год, первыми премиями ЛНФ ОИЯИ за 1999 год и 2002 год,

второй премией ОИЯИ за 2006 год

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1 А V Strelkov, V V Nesvizhevsky, Р Geltenbort, et al "Identification of a new escape channel for UCN from traps" // Письма в ЖЭТФ, T 70, Вып 3,1999, 175181

2 ЕВ Лычагин, АЮ Музычка, В ВНесвижевский, и др "Температурная зависимость неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов с малой передачей энергии" //ЯФ 63(4), 609-612 (2000)

3 ЕВ Лычагин, АЮ Музычка, В В Несвижевский и др "Исследование неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов с малой передачей энергии на поверхности твердых тел" // Поверхность РСНИ №7 стр 81-91,2002

4 Nesvizhevsky V V , Lychagin Е V, Muzychka et al "About interpretation of experiments on small increase in energy of UCN in traps" // Physics Letters B, Volume 479, Number 4, 27 Apnl 2000, pp 353-357(5)

5 EV Lychagin, DGKartashov, A Yu Muzychka, et al "Mechanism of Small Variations in Energy of Ultracold Neutrons Interacting with a Surface" // ЯФ, T 65, №11, с 2052-2055, 2002

6 ДГ Карташов, ЕВ Лычагин, АЮ Музычка, и др «Изучение природы изменений энергии ультрахолодных нейтронов на величину -10"7 эВ при их взаимодействии с поверхностью» // Сообщение ОИЯИ РЗ-2006-29

7 D G Kartashov, Е V Lychagin, A Yu Muzychka, G V Nekhaev, V V Nesvizhevsky "An Investigation into Origin of Small Energy Changes (-10'7 eV) of Ultracold Neutrons in Traps"// International Journal of Nanoscience, Vol 6, No 6 (2007), 501-513

Формат 60x90/16 Печать офсетная Уел печ л 1,5 Тираж 60 экз Заказ 46

Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл Академика Курчатова, д 1

Введение.

1. Общие положения теории взаимодействия УХН с конденсированными средами.

2. Общая постановка экспериментов по удержанию УХН.

3. Причины изучения неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов (УХН) с малой передачей энергии при взаимодействии с поверхностью.

4. Структура работы.

Глава 1. Краткий обзор экспериментов по изучению неупругого канала потерь

1.1. Исследование нагрева УХН в тепловую область и аномалия хранения УХН.

1.2. Поиски «малого нагрева».

1.3. Исследования «миллинагрева».!.

Глава 2. Метод исследования малого нагрева с использованием гравитационного спектрометра.

2.1. Описание метода.

2.2. Принципиальная схема эксперимента, выбор параметров временной диаграммы.

2.3. Расчет вероятности малого нагрева и охлаждения.

2.4. Измерение эффективности регистрации ВУХН, измерение спектра УХН и

ВУХН.

Глава 3. Экспериментальные установки.

3.1. Спектрометр из нержавеющей стали.

3.2. Медный спектрометр с фольгой.

3.3. Спектрометр с гравитационным барьером— «Большой гравитационный спектрометр (БГС)».

Глава 4. Результаты измерений в спектрометрах с разделительной фольгой.

4.1. Вероятность малого нагрева для различных веществ.

4. 2. Малый нагрев и охлаждение на поверхности нержавеющей стали.

4. 3. Температурная зависимость малого нагрева.

4. 4. Проверка гипотезы «прилипания» УХН к стенкам.

Глава 5. Результаты измерений в БГС.

5.1. Спектр ВУХН.

5.2. Зависимость вероятности малого нагрева от предварительной обработки поверхности образца.

5.3. Проверка гипотезы о водороде на поверхности как причине малого нагрева.

5.4 Малый нагрев на монокристаллическом сапфире и алмазном нанопорошке.

5.5. Сравнение с результатами других работ.

Данная работа посвящена исследованиям с ультрахолодными нейтронами (УХН). Для определения физических величин, с которыми обычно оперируют экспериментаторы в этой области, ниже приведены основные положения теории взаимодействия УХН с конденсированными средами и общая постановка экспериментов по удержанию УХН. Затем указаны причины проведённых исследований неупругого взаимодействия УХН с поверхностью, приводящему к малой (по сравнению с тепловой энергией поверхности) изменению энергии нейтрона. В конце введения представлена структура работы.

1. Общие положения теории взаимодействии УХН с конденсированными средами

В данном разделе в качестве справки и для определения физических величин, используемых в дальнейшем, приведены общие формулы теории взаимодействия УХН с конденсированными средами и общие выражения, которые обычно используют при анализе результатов экспериментов по хранению УХН.

Теория взаимодействия УХН с конденсированными средами предполагает, что граница раздела среда-вакуум представляет для свободного нейтрона потенциальную ступеньку: длина когерентного рассеяния нейтрона ядром г, ¡л.- магнитный момент нейтрона, В — индукция магнитного поля в среде. Далее мы будем опускать магнитную составляющую потенциала.

Выражение (1) можно получить как простым усреднением квазипонтенциала Ферми для рассеяния нейтрона [1], так и в рамках более строгого рассмотрения с привлечением теории многократного рассеяния волн [2].

Далее рассматривается задача об отражении нейтрона, описываемого плоской волной, от потенциальной ступеньки (1) и решается уравнение Шрёдингера пологая, что вещество занимает полупространство (подробное описание решения можно найти, например, в [3]). Коэффициент отражения, получаемый из решения данного уравнения:

1), где Й - постоянная Планка, тп - масса нейтрона, щ - объёмная плотность ядер вида /, Ъ1сок — где к± - нормальная к разделу сред составляющая волнового вектора падающего нейтрона, к'± - нормальная компонента волнового вектора внутри среды: k'1=^Jl¿[-U/(h2/2rnn). Из (2) видно, что если потенциал С/ действителен и к] < к^т = и/{Н2/2тп), то имеет место полное отражение нейтрона от потенциальной ступеньки. Энергию нейтронов ЕЪт = и называют граничной энергией для данного вещества. Наличие поглощения в среде описывается мнимой частью потенциала, что приводит к тому, что величина Я меньше единицы даже в случае к] < к?1т.

Величина ¡л — 1 - равна вероятности потери нейтрона при однократном отражении:

2?7 УЛ

ТГГ^ У±< 1 (3)

-/ ,-42 у±> Г (4) где введены обозначения у, = ^У^ = , г] = Величину г] называют фактором кт / "ьш ЫеСС/) потерь. Выражение (3) верно, если фактор потерь достаточно мал, иными словами, наличие потерь не сильно возмущает волновую функцию внутри вещества, что выполняется для большинства веществ с малым захватом, с которыми имеют дело экспериментаторы.

Чтобы получить выражение для фактора потерь г], необходимо знать величину мнимой части длины когерентного рассеяния нейтрона. Согласно оптической теореме [4], мнимую часть амплитуды рассеяния нейтрона с волновым вектором к на нулевой угол 1т(/0(к)) можно выразить через величину полного сечения рассеяния нейтрона <тш:

5)

4 п

С другой стороны, при к—> 0 амплитуда /0(к) связана с длиной когерентного рассеяния Ъсок соотношением [4]:

Ш = -Ьсоп{1-1кЪсо11). (6)

Принимая во внимание определение сечения упругого рассеяния ае1 [4]: сге1 = 4л"Ьс2оЛ , из (5) и (б) легко получить выражения для мнимой части ЪсоН через сечения:

47Г

Полное сечение рассеяния медленного нейтрона неподвижным одиночным ядром состоит из упругого сечения сге1 и сечения захвата сгс. Упругие процессы не приводят к изменению энергии падающего нейтрона. Для учёта эффекта неупругого рассеяния УХН на тепловых колебаниях решетки, в величину сгш следует включить величину сечения неупругого рассеяния УХН, приведённую на один рассеиватель ак. Окончательное выражение для приведённого коэффициента потерь выглядит следующим образом:

4тг Ые(Ьсо/1)

Для ультрахолодных нейтронов, сг{е так же, как и ас обратно пропорционально скорости нейтрона [3] (закон ). Поэтому фактор потерь не зависит от скорости нейтронов. Обобщая для случая среды, состоящей из различных ядер, можно записать: к ^е+Е^с

9) г где сге, г/к - сечение неупругого рассеяния и фактор потерь УХН на тепловых колебаниях среды.

Для изотропного углового распределения потока УХН на поверхность вероятность потерь можно усреднить по углам: v y) = 2jcos(0)sin(0)//(ysin(0))d0, где у =

О "lim

Для случая v < vhm получаем выражение:

Му) - ^(arcsin(y) - у^у1). (10)

Типичные значения граничных энергий и приведённого коэффициента потерь, вычисленные по формулам (1) и (9) для часто используемых в качестве ловушек УXII веществ и материалов приведены в Таблице 1 (нейтронные сечения взяты из таблицы [5]). Таблица 1.

Вещество (при ЗООК) Граничная энергия ЕЪт, нэВ Фактор потерь 7/х10 5

Медь 168 15.5

Бериллий 252 0.5

10X18Н9Т 182 10.0

Алюминий 54 2.25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении кратко сформулируем основные результаты работы:

1. Предложен новый метод исследования малого нагрева и охлаждения УХН — хранение неупруго рассеянных УХН в той же ловушке, что и начальный спектр УХН. Метод позволяет измерять среднюю вероятность перехода нейтронов в процессе малого нагрева, а также охлаждения и спектр нейтронов в конечном состоянии. Использование методики хранения, формирования спектра УХН верхним поглотителем, гравитационной спектрометрии позволяет минимизировать возможные систематические ошибки.

2. Сконструирован гравитационный спектрометр БГС, который является на сегодняшний день лучшей из существующих экспериментальных установок для изучения процессов малой передачи энергии УХН с точки зрения ширины исследуемого диапазона конечных состояний нейтронов, эффективности сбора ВУХН и возможности изменять температуру образца.

3. Установлено, что исследуемый малый нагрев УХН является результатом однократного взаимодействия с поверхностью со средним увеличением энергии на -50 пэВ.

4. Установлено, что вероятность малого нагрева УХН на поверхности нержавеющей стали и меди может резко зависеть от подготовки поверхности (температуры предварительного обезгаживания образцов, обработки реактивами). Максимальная вероятность в нашем случае достигала (4.5±0.3)-10"6 на удар о поверхность.

5. Обнаружено, что при температуре, соответствующей резкому росту вероятности малого нагрева, на поверхности образцов образуется наноструктура с характерным размером зёрен -10 нм.

6. Доказано, что наблюдаемое явление не связано с водородным загрязнением поверхности (отсутствует корреляция между Р+ и коэффициентом потерь //).

7. В измерениях с монокристаллическим сапфиром установлено, что при отсутствии наночастиц на поверхности отсутствует и малый нагрев.

8. Продемонстрировано, что нанесение на поверхность образца порошка наночастиц увеличивает вероятность малого нагрева на несколько порядков величины, причём спектральные и температурные зависимости малого нагрева аналогичны зависимостям, полученным с металлическими образцами.

9. Сделан вывод, что наиболее вероятным процессом, который может объяснить совокупность полученных экспериментальных данных, является рассеяние УХН на свободных частицах (кластерах) если их размеры составляют -10 нм, движущихся с тепловыми скоростями. При этом независимо от распределения частиц по размерам, нейтроны сами "выбирают" наночастицы с размером - %, что позволяет п однозначно указать наиболее вероятную передачу энергии на один удар ~10" эВ при комнатной температуре ловушки [36].

Перспективы:

Перечисленные результаты подтверждают гипотезу о том, что малый нагрев является следствием взаимодействия УХН со слабосвязанными наночастицами на поверхности, находящимися в состоянии теплового движения [36]. Однако, механизм взаимодействия наночастиц с поверхностью и между собой окончательно ещё не ясен. В будущих измерениях планируется создание образцов, на поверхности которых наночастицы будут размещены контролируемым образом, т.е. будет известна их плотность на поверхности, сила связи с этой поверхностью, и они заведомо не будут взаимодействовать друг с другом.

Из полученных результатов можно сделать важные практические выводы. В экспериментах с УХН (например, таких как измерение времени жизни нейтрона), в' которых малый нагрев может приводить к существенным систематическим погрешностям, необходимо внимательно относиться как к выбору материалов стенок ловушки, так и к процедуре подготовки ловушки. Необходимо проверить, не определяются ли "аномальные" потери УХН в эксперименте [15] их малым нагревом. Заметим также, что малый нагрев УХН изучался последние восемь лет как на поверхности твёрдых веществ (нержавеющая сталь, медь, бериллий и др.), так и на поверхности жидкостей (различные сорта безводородных масел) [29, 78, 79, 80, 81, 82]. Безводородные масла в последнее время активно используются в качестве стенок ловушек УХН. На сегодняшний день именно на таком покрытии достигнут рекордно низкий фактор потерь УХН. Однако и процессы малого нагрева на маслах идут более активно. Вопрос о том, исчезает ли этот процесс при охлаждении, остаётся открытым, т.к. уменьшение эффекта малого нагрева при охлаждении в экспериментах типа [82] (в эксперименте используется ловушка с разделительной фольгой), может быть связано со смягчением спектра ВУХН и перемещением спектра в нечувствительную для экспериментальной установки область.

Обнаруженное неупругое рассеяние УХН на наночастицах открывает целый ряд новых возможностей по использованию УХН и в прикладных исследованиях. Так, например, с помощью УХН можно изучать динамические свойства наночастиц и наноструктур, что до сегодняшнего дня считалось невозможным. С другой стороны, неупругое рассеяние нейтронов на наночастицах может быть использовано для термализации нейтронов до сверхнизких температур, что даёт возможность создания принципиально нового источника УХН высокой плотности [36].

1. Юз Д. Нейтронная оптика: — М.: Иностранная литература, 1955

2. Игнатович В.К. // Кристаллография — 37 (5), — 1100 (1992)

3. Гуревич И.И., Тарасов JI.B. Физика нейтронов низких энергий: — М.:Наука, 1965

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика: — М.:Наука, 1989, —594 с.

5. Neutron News —V.3, —No3, —1992, — рр.29-37

6. S.Arzumanov, L.Bondarenko, S.Chernyavsky et al. // Physics Letters В, — V 483, — Issues 13,— pp. 15-22, —(2000)

7. C.A. Baker, D.D. Doyle, P. Geltenbort et al. // arXiv:hep-ex/0602020 v3 28 Sep 2006 (http://uk.arxiv.org/PScache/hep-ex/pdf/0602/0602020.pdf)

8. Wohlmuther, M.; Heidenreich, G. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, — V. 564, — Issue 1, —p. 51-56.

9. I. Altarev, S. Gröger, F. J. Hartmann и др. // Physik-Department El8, Technische Universität München, D 85748 Garching, Annual Report TUM El8, — 2000

10. Y. Masuda, T. Kitagaki, K. Hatanaka, M. Higuchi et al. //Phys. Rev. Lett. — V89, — Issue 28, —284801, — (2002) (http://prola.aps.org/abstract/PRUv89/i28/e284801)

11. A. Saunders, J. Boissevain, G. Hogan et al. // LANSCE Physics Division Progress Report 1999-2000, —pp. 133-138

12. Лущиков В. И., Покотиловский Ю. Н., Стрелков А. В., Шапиро Ф. Л.// Письма в ЖЭТФ,. — Т. 9, — с. 40-45, — (1969)

13. Ageron Р // Z. Phys., — VB59, — р. 261, —(1985)

14. В. П. Алфименков, В. В. Несвижевский, А. П. Серебров и др. // Письма в ЖЭТФ, —Т. 55., — В.2, — с. 92-94, — (1992); Препринт ЛИЯФ №1729, — (1991)

15. Игнатович В. К. Физика ультрахолодных нейтронов: — М.: Наука, 1986. — 272 с.

16. Golub R., Richardson D. J. and Lamoreaux S. K. Ultrocold Neutrons: — Bristol: Adam Higler 1991.

17. Стрелков А. В. // Труды IV школы по нейтронной физике, Алушта, — (1990), — с. 325336

18. Stoika A. D., Strelkov A.B., Hetzelt М.// Z.Physik В.,. — V. 29, — pp. 349-325, — (1978)

19. А.В.Стрелков, М.Хетцельт // ЖЭТФ, —Т.74, —В.1, — с.23-36, — (1978)

20. Lanford W.A., Golub R. // Phys. Rev. Lett., — V. 39, — p. 1509, — (1977)

21. Игнатович В. К., Ким Зун Бок, В.И.Лущиков и др. // Сообщение ОИЯИ, РЗ-82-811,1. И е. —(1982)

22. A. Fomin, P. Geltenbort, S. Arzumanov et al. // NIM A, — V. 440, — Issue 3, — pp. 690-694,2000)

23. A.V.Strelkov, G. N. Nekhaev, V. N. Shvetsov yt al. // Proc of IV International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei. ISINN-4, Dubna, April 27-30, 1996, —E3-96-336,pp. 299-304

24. В.Е.Варламов, П. Гелтенборт, В. В. Несвижевский и др. // ЖЭТФ, — Т. 114, вып. 3,с. 9, —(1998)

25. P.Geltenbort, Al.Yu.Musychka, Yu.N.Pokotilovski // Сообщения ОИЯИ, E3-96-349,1996)

26. Al. Yu. Muzychka, Yu.N.Pokotilovski, P.Geltenbort // ЖЭТФ, — Т. 115, — вып. 1,.с. 141-148, — (1999); JETP, — V. 88, — N 1. — pp. 79-83, — (1999)

27. Nesvizhevsky V. V., Strelkov А. V., Geltenbort P., Iaydjiev P. S. // ILL Annual Report 1997,p. 62; Eur. Phys. J., — AP 6, —pp. 151-154, — (1999); ЯФ, — T. 62, — c. 832-843,1999); Препринт ОИЯИ РЗ-98-79, — (1998)

28. S. Arzumanov, L. Bondarenko, S. Chernyavsky et. al. // Proc of IV International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei. ISINN-6, Dubna, May 13-16, 1998, —E3-98-2002,pp. 101-107

29. A.L. Barabanov, S.T. Belyaev // The European Physical Journal В, — V. 15, — pp. 59-75,2000)

30. Pokotilovskii Yu. N. // Eur. Phys. Journ. В, —V. 8, — p. 1, — (1999)

31. Pokotilovskii Yu. N. // JETP Letters, —V. 69, — No. 2, — p. 91-96; Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz., — V. 69, No. 2, — c. 81-86, — (1999)

32. Y.N. Pokotilovski // Physics Letters A, — V. 255, — pp. 173-177, — (1999)

33. S.K.Lamoreaux, R.Golub // Phys. Rev. С, — V. 66, — 044309, — (2002)

34. A. Stepaniants, D Sarkisov, A.Meyerovich, A.Steyerl // J.Low Temp. Phys., — V. 113, — p. 1159, —(1998)

35. V. V. Nesvizhevsky // Phys. At. Nuclei, —V. 65, —p. 400, — (2002)

36. M. Utsuro, V.K. Ignatovich // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, — V. 440, — Issue 3,pp. 709-716, —(2000)

37. A. V. Strelkov, V. V. Nesvizhevsky, P. Geltenbort et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment,

38. V. 440, — Issue 3, , — pp. 695-703, — (2000); Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz., — V. 70,

39. No. 3, — pp. 175-180, — (1999)

40. E.V.Lychagin, AYu.Muzychka, V.V.Nesvizhevsky et al. // Physics of Atomic Nuclear,

41. V. 63, — No. 4, — p. 609, — (2000)

42. Е.В.Лычагин, А.Ю.Музычка, В.В.Несвижевский, и др. // Препринт ОИЯИ РЗ-2001-49,2001); Поверхность РСНИ, — №7, — с. 81-91, — (2002)

43. Nesvizhevsky V.V.; Lychagin E.V.; Muzychka A.Y. et al, // Physics Letters B, —V. 479, — No. 4, — pp. 353-357, — (2000)

44. E.V.Lychagin, D.G.Kartashov, A.Yu.Muzychka, et al. // Physics of Atomic Nuclei, —V. 65,

45. No. 11, —pp. 1995-1998, — (2002); ЯФ, — T.65, — №11, —c. 2052-2055, — (2002)

46. D.G.Kartashov, E.V.Lychagin, A.Yu.Muzychka, et al. // International Journal of Nanoscience (IJN), — V. 6, — No. 6 — pp. 501-513, — (2007)

47. V.K.Ignalovich // JINR Report, E4-8039, Dubna, — (1974)

48. Л.В.Грошев, В.И.Лущиков, С.А.Николаев и др. // Сообщение ОИЯИ P3-9534, Дубна, — (1976)

49. В.К.Игнатович // Препринт ОИЯИ РЗ-7055, Дубна, — (1973)

50. Л.В.Грошев, В.Н.Дворецкий, А.М.Демидов и др. // Сообщение ОИЯИ P3-5392, Дубна,1970); Phys. Lett., В, — V. 34, — р. 293, — (1971)

51. Л.В.Грошев, В.Н.Дворецкий, А.М.Демидов и др. // Сообщение ОИЯИ РЗ-7282, Дубна, —(1973)

52. V.I.Luschikov // In: proc. Conf. on the Interaction of Neutrons with Nuclei, Lowell, Massachusetts, July 6-9, USA, 1976, CONF-760715-P1, — p. 117-142

53. А.И.Егоров, В.М.Лобашов, В.А.Назаренко идр. // ЯФ, — Т. 19, — Вып. 2, — стр. 300310, —(1994)

54. Ю.Ю.Косвинцев, Ю.А.Кушнир, В.И.Морозов // ЖЭТФ, — Т. 77, — Вып. 4(10), — (1979)

55. Stoyca A.D. et al. // Z.Phys., — V. 29, —p. 349 , — (1978)

56. Ю.Ю.Косвинцев, Ю.А.Кушнир, В.И.Морозов и др.// Препринт ОИЯИ РЗ-80-91, Дубна, —(1980)

57. La Marchy P.H., Lanford W.A., Golub R. // Nucl. Instr.&Meth., — V. 189, — p. 533,1981)

58. Ю.Ю.Косвинцев, Ю.А.Кушнир, В.И.Морозов и др. // ЖЭТФ, — Т. 77, — с. 1277, —(1979)

59. D.I.Blokhintsev, Plakida N.M. // Phys. Stat. Sol. (b), —V. 82, — p. 627, — (1977)

60. Игнатович B.K., Сатаров Л.М. // Препринт ИАЭ-2820, — (1977)

61. Игнатович В.К. В кн.: Материалы школы ЛИЯФ по физике конденсированных сред:1. Л., 1979, —с. 216

62. Ю.Ю.Косвинцев, Ю.А.Кушнир, В.И.Морозов и др. // Атомная Энергия, — Т. 55,с. 288, —(1983)

63. В.И.Морозов, Экспериментальные исследования с ультрахолодными нейтронами:г. Димитровград, Изд. НИИАР, 1980

64. С.В.Жуков, В.Л. Кузнецов, В.И.Морозов и др.// Письма в ЖЭТФ, — Т. 57, — Вып. 8, с. 446- 450, —(1993)

65. S.Arzumanov, S.Chernyavky, A.Fomin et al. // Physica В, — V. 234-236, —pp. 1189-1191, —(1997)

66. S. S.Arzumanov, S.T.Belyaev, L.N.Bondarenko et al. // JETP, — V. 88, — No. 1, — pp. 7278, — (1999)

67. S.Arzumanov, L.Bondarenko, P.Geltenbort et al. // NIM A, —V. 440, — Issue 3, — pp. 690694, — (2000)

68. С.С.Арзуманов, Л.Н.Бондаренко, Е.И.Коробкина и др. // Препринт ИАЭ-6010/2

69. С.С.Арзуманов, Л.Н.Бондаренко, Е.И.Коробкина и др. // Письма в ЖЭТФ, — Т. 65,

70. Вып. 1, — с. 3-8, — (1997)

71. В.Е.Варламов, П.Гелтенборт, В.В.Несвижевский, и др. // Письма в ЖЭТФ, —Т. 66,

72. Вып. 5, — с. 317-322, — (1997)

73. Ignatovich V.K., Utzuro М. // Phys. Lett. А, —V. 225, — p. 195, — (1997)

74. Франк А.И., Носов В.Г. // ЯФ, — Т. 58, —с. 453, — (1995)

75. Серебров А.П. // Proc of V International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei. ISINN-5, Dubna, 14-17 May 1997, — E3-97-213, — c. 67-70

76. T. Bestle, P. Geltenbort, H. Just, et al. // Physics Letters A, — V. 244, — p. 217-221,— (1998)

77. V.V.Nesvizhevsky // International Journal of Modern Physics D (IJMPD), —V. 14, Issue: 3/4,p. 511-519, —(2005)

78. V.V.Nesvizhevsky // Preprint ILL 93VVN02S

79. P.Geltenbort, S.S.Malik and A.Steyerl // Proc of VI International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei. ISINN-6, Dubna, 13-16 May, 1998, — E3-98-2002, — p. 74

80. Th.Brenner, J.Butterworth, P.Geltenbort et al. // NIM A, —V. 440, — Issue 3, — pp. 722-728, — (2000).

81. S.S.Malik, D.Sarkisov, A.Steyerl et al. // Phys. Lett. A, —V. 260, — pp. 328-334, — (1999)77. http://www.ultradiamondtech.com/products.html

82. L. Bondarenko, E. Korobkina, V. Morozov et al. // JETP Letters, —V.68, —Issue 9,pp. 691-695, — (1998); Письма ЖЭТФ, —T.68, — Вып. 9, — c.663-666, — (1998)

83. Arzumanov S.S., Morozov V.I., Panin Yu., Bondorenko L. et al. // Proc of X International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei. ISINN-10, Dubna, 22-25 May, 2001,

84. E3-2003-10, — pp. 356-361,

85. Bondarenko L.N.; Korobkina E.I.; Morozov V.I. et al. // Physics of Atomic Nuclei, — V. 65,1.sue 1, —pp. 11-17, — (2002); ЯФ, —T. 65, —№1, —c. 1-7, — (2002)

86. A.P. Serebrov, J. Butterworth, M. Daum et al. // Physics Letters A, — V. 309, — Issue 3-4, —pp. 218-224, —(2003)

87. A. Steyerl, B.G.Erozolimsky, A.P.Serebrov et al. // Eur. Phys. J. В, — V. 28, — pp. 299-304,2002)