Хранение ультрахолодных нейтронов и применение их для измерения времени жизни нейтрона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции л-—

Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова

На правах рукописи УДК 539.125.5

МОРОЗОВ Василий Иванович

ХРАНЕНИЕ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕЙТРОНА

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

А230бо

Москва 1989

Работа выполнена в ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции Институте атомной . энергии ем. И. В. Курчатова.

ОШЩАЛЬШБ ОППОНЕНТЫ:

Член-корреспондент АН СССР, профессор Ю.Г. Абов

доктор физико-математических наук В.И. Лущиков

доктор физико-математических наук М. В. Казарновский

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Ленинградский Институт ядерной физики им. .Б.П. Константинова.

Защита состоится "_"_' 1989 г.

в_ч мин на заседании Специализированного совета ИАЭ по

ядерной Шизике и физике твердого тела ( Д 034.04.02) по адресу: 123182, Москва, дл. Академика Курчатова, Институт атомной энергии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института атомной анергии им. И.В. Курчатова.

Автореферат разослан " " 1989г.

Ученый секретарь Специализированного совета

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ.

Ультрахолодными нейтронами (УХН ) называются нейтроны о •. энергией £Ц'НГ^аВ, испытыващие полное отражение от оред, ядра которых имеют положительную длину когерентного рассеяния. Энергия взаимодействия IV магнитного момента нейтрона /.1 о магнитным полем определяется как .V/ = ^ УЧН = ^ 6,03*10"% эВ, где И - напряженность поля в кЭ. Поэтому УХН со опином, ориентированным вдоль направления поля, могут испытывать полное отражение от областей, где Еелэтина поля Н достигает ( 30+ 40) кЭ. Диссертационная работа посвящена изучению одного из основных свойств УХН-способнооти к хранению, непосредственно вытекающей из существования эффекта полного отражения от вещества и магнитного поля.

Материалы диссертации представляют собой обобщение результатов экспериментальных исследований, выполненных при.участии и под руководством автора на реакторе СМ-2 в период о Х972 по 1984 гг, Исследования по хранению УХН в сосудах и магнитных полостях ( ловушках) позволили доказать принципиальную возможность хранения нёйтро-1

нов с помощью магнитных полей, установить основные закономерности протекания процессов хранения УХН в сосудах и магнитных ловушках, практически решить проблему дополнительной или так называемой"аношль-ной" утечки УХН из сосудов. На основе подученных результатов была разработана техника создания сосудов УХН для хранения нейтронов вплоть до их бета-распада . Решение задачи длительного хранения нейтронов дало возможность создать принципиально новый метод измерения времени жизни нейтрона ' , основанный на хранении УХН. Реализация метода позволила провести измерения Т^ с точностью ■1,2%, что не является пределом метода.

Актуальность проблемы. Теоретические указания на способность нейтронов к хранению впервые появились г работах Я.Б. Зельдовича и В.В. Владимирского. Экспериментальные работы в этом направлении были начаты в 1968 г., когда ш.Л. Шапиро с сотрудниками удалось получить УХИ, а несколько позднее осуществить их хранение в сосудах. После этих работ исследования с УХН начали стремительно развшзатьоя как а СССР, так и за рубежом.

На начальном этапе интерес к УХН был связан с появлением иовоп инструмента ядерно-физических исследований. Возможность длительного удераания нейтронов позволяла надеяться, что УШ станут перспектив:«-ниц средством измерения; таких &ундаментаяышх характеристик нейтрон как его электрический дщшлышй момент ( ЭДМ), алектрический заряд и время жизни. Точное измерение перечисленных величин чрезвычайно акту&чьно, поскольку они представляют большой интерес для решения ряда вопросов современной физики. Так, поиск ЭДМ имеет больаюе значение для развития теоретических моделий, описывающих нарушение СР-инвариантности. Обнаружение электрического заряда нейтрона иск- . лючило бы необходимость введения закона сохранения барионного ааряда. Прецизионные йзмерения позволяют о высокой точностью

определять отношение —— - аксиально- векторной и векторной констант связи в гамильтониане слабого взаимодействия. Уточнение данной величины представляет постоянный интерес, поскольку она дает возможность проверять справедливость V-/? варианта теории слабого взаимодействия на все более глубоком уровне. Вместе с тем существующие результаты по измерению Т^ , выполненные традиционными пучковыми методами, согласуются у различных авторов лишь в пределах ( 2+4)? -ной погрешности, что явно недостаточно для потребностей теории.

С целью определения проводились такжо исследования по измэ-рению коэффициентов угловых корреляций продуктов бета-распада поляря-¡зованних нейтронов. Обычно для этого использовались цучки тепловых или холодных нейтронов. Определенные перспективы в повышении точности корреляционных измерений можно било ожидать при переходе па поляризованный газ УХН. Но исключалась также постановка измерений по поиску нейтрон- антинейтрашшх осцилляций о помощью хранящихся ЛН.

Перспективность перечисленных исследований во многой определялась достилэмой длительности!) пребывания С хранения) 7Л1 в измерительных объемах соответствующих экспериментальных установок. Перво- . начальные теоретические оценки времен хранения УХИ в сосудах были довольно оптимистическими. Так, в сосудах из материалов с малыми сечениями захвата и пеупругого рассеяния { бериллий, графит), согласно расчетам, возможно быто хранение УХИ с характерным временем лишь на

( меньшим Г ~ 900с.

У

Однако первые же опыты показали, что УХН не удерживается в сосудах то время, которое предсказывалось теорией. При хранении нейтронов в сосудах из слабопоглощагацих материалов времена хранения' оказавались в ( 10 * 100) раз меньше расчетных. Последущие эксперименты, в которых менялись материалы сосудов, способы обработки их поверхности, температурные условия я другие факторы показали, что расхождение между теоретически предсказываемый ж экспериментально наблюдаемыми временами хранения носит систематический характер. Наблюдавшийся эффект свидетельствовал, что при взаимодействии со стенками сосудов, нейтроны испытывают,какое-то дополнительное неупругое взаимодействие с эффективным сечением < 10*20) барн ( при пересчете к энергии тепловых нейтронов). Более того, в ряде работ было обнаружено, что реально получаемые времена хранения практически не зависят от температуры стенок сосудов. Это обстоятельство

не позволяя» объяснить донолннтвль«ую утеч«у УХН неупругим рассеянием УХН на поверхностных примесях < например водороде) или другими процессами, связанными <г приобретением УХН энергии, близкой к тепловой. Создавалось впечатление, что причиной эффекта является непреду сматриваемый теорией процесс, который возможно связан не овойот-вами поверхности сосудов , а оо свойствами самого нейтрона. В дальнейшем проблема дополнительной утечки УХИ из сосудов подучила широкое обсуждение как проблема " аномальной" утечки УХН и вызвала целыз ряд расчетно-теоретических и экспериментальных работ по её возможному объяснению.

Это неожиданно возникшее „обстоятельство резко обострило актуальность исследований по хранению нейтронного газа. Существование канала утечки,не укладывающегося в теорию, свидетельствовало, что сложившиеся представления о взаимодействии нейтронов сверхнизких анергий о веществом либо не оовсем верны, либо недостаточно волны. С практической точки зрения наличие дополнительной утечки сразу затруднило применение УХН в ядерно-физических исследованиях» Наиболее проблематичной стала возможность применения УХН для измерения Т^ . Первоначальная идея этого эксперимента оостояла в том, чтобы реализовать , оооуд УХН, в котором убывание нейтронов со временем почти полностью определялось их бета-распадом. Тогда о точностью до небольшого поглощения в стенках ( \л2%) время хранения равнялось бы . Обнаруженный эффект практически исключил возможность измерения Тд в такой постановке.

В сложившейся ситуации существовало два возможных пути решения задачи длительного хранения нейтронного газа, однако оба выгледели достаточно проблематично. Первый из них оостоял в детальном исследовг нии физики хранения УХН в сосудах с целью выяснения физического механизма дополнительной утечки и возможности подавления данного канала

потерь УЖ Однако при атом не исключалось, что имеющимися в нашем распоряжении техническими средствами подавить дополнительную утечку УХН окажется невозможно, даже при полном понимании её физичеокой сущности.

Второй путь состоял в реализации магнитного хранения УХН о помощью полей специальной конфигурации. Теоретические оценки Владимирского В.В. и других авторов показали, что в некоторых магнитных системах возможно удержание нейтронов до бета-распада. Однако " экспериментальных работ в этом направлении пе проводилось, и поэтому сама принципиальная возможность подобного опособа хранения нейтронов была под вопросом.

Основные пели работы. •

В . 1972 г. наша группа приступила к систематическим иоследова-' ниям процессов хранения УХН в замкнутых сосудах и магнитных оиоте- ■ мах. Главной целью работы стало выяснение возможности длительного хранения УЖ и использования хранящегося нейтронного газа для измерения Тр . Планировавшиеся исследования требовали достаточно высоких плотностей потоков УХН ( до 100 ом-2, о-*), которые можно было получить , используя в качестве источника УХН высокопоточный реактор. Кроме того, для обеспечения работ необходимо было развитие методической техники 'экспериментирования о газом УХН, представляющим собой сравнительно новый объект н'ейтронно-физических исследований. Это определило основные цели диссертационной работы, следующим образом:

I. Освоение техники получения УХН на высокопоточном реакторе СМ-2 и создание источников УХН, обеспечивающих плотности получаемых потоков, достаточные как для исследования процессов хранения, так к измерения *СД на уровне точности ( I* 1,Ъ)%.

2. Разработка методической базы для исследований с УХН, включая изучение процесса распространения УХН по нейтронопроводявдм каналам и создание методов измерения параметров потоков УХН.

3. Выяснение возможности хранения-УХН о помощь» магнитных полей.

4. Изучение процесоа хранения УХИ в замкнутых сосудах для выяснения физического механизма дополнительной утечки УХН, возможности её подавления и создания сосудов, обеспечивающих хранение нейтронов до бета-распада. '

5. Разработка на основе полученных данных Нового метода измерения "Ср с использованием нейтронного газа, хранящегося

в сосудах или магнитных ловушках.

6. Измерение Тр методом хранения УХН о точностью. (1+1» 5)$.

0СВ9Щ9 РМУДШВ И ИОЛ^ИИЯ . ВШГСЙШ? НА ЪШП*

1. Освоение техники получения УХН на высокопоточном реакторе СМ-2 методом выведения их из активной зоны горизонтальными нейтроне водами. Создание пяти установок для получения.УХН о плотностью выводимых потоков ( 20+120)см-2.о-1. Построенные установки вкомплексе о гравитационным формирователем моноэнергетичеоких нейтронных пучков обеспечили проведение исследований по физике УХН, их хранению и измерению Тр,

2. Экспериментальное исследование закономерностей распространения УХН по нейтронопроводящим каналам и обоснование применимости . теории диффузии для опиоаная тока газа УХН в нейтронопроводящих оистемах. Разработка и экспериментальная проверка метода расчета пропускания сложных нейтроноводрв о конструктивными элементами, отражающими УХН. V

е

3. Разработка оригинальных методов и устройств для изучения основных характеристик потоков УХН ( плотности, угловых я энергети- ' ческих распределений). Экспериментальное исследование работы барьерных спектрометров потока УХН, создание магнитного спектрометра потока УХН.

4. Экспериментальное наблюдение эффекта полного отражения УХН от барьера, обусловленного взаимодействием магнитного момента нейтрона о магнитным полей. Проведение экспериментальной оценки ~ вероятности деполяризации УХН в неоднородных магнитных полях, подт- . вердившее возможность хранения УХН в замкнутых магнитных полостях

( ловушках).

5. Разработка и создание, магнитной ловушки для удержания нейтронов о энергией С 6-15)'10 эВ. Первые эксперименты по хранению УХН в ловушке (Доказавшие возможность принципиально нового ' способа хранения нейтронов с помощью магнитных полей.

Создание элементарной теория хранения УХН в магнитных "чашах" на оонове полуклассического подхода В.В. Владимирского. Анализ основных каналов потерь УХН в магнитных " чатах" и вывод о возможности удержания нейтронов о характерным временем порядка сотен секунд.

1 6. Предложение нового метода измерения посредством хранения УХН в магнитных ловушках с одновременной регистрацией нейтронов, покидающих объем магнитного удержания. »•

7. Разработка универсальной методики исследования процесса хранения УХН в сосудах и измерения коэффициентов потерь экоп. Результаты измерений % эксп для химически очищенных поверхностей меди, стали, стекла* алюминия, бериллия, свинца, висмута, латуни, цинка. Экспериментальные данные по хранению УХН в отожженна и неотояяенных сосудах со стенкама из сконденсированных металлов ( меди, алюминия, бериллия, цинка, висмута). .Анализ результатов -

проведенных исследований, показавший, что дополнительная утечка УХН из сосудов по крайней мере частично связана о нагревом или захватом УХН на поверхностных примесях отенок сооудов.

8. Результаты измерений полных сечений взаимодействия нейтронов с Не, Ах, 0^» N2^02 и воздухом. Оценка влияния газовых сред на время хранения УХН в сосудах о оотаточными газами. Верхнее ограничение на среднее изменение &Ё энергии УХН при однократном взаимодействии оо отенками сооудов, обусловленное

,акустическими вибрациями или другими процессами, приводящими к сверхслабому нагреву УХН ( й£ < 7*10~^эВ). Экспериментальная проверка гипотезы осцилляции нейтрона между скрытыми состояниями как причины дополнительной утечки УХН из оосудов.

9. Эксперименты по хранению УХН в алюминиевых сосудах, для которых впервые установлено существование температурной зависимости вероятности дополнительной утечки УХН. Вывод, что причиной дополнительной утечки УХН из алюминиевых сооудов является нагрев

( неупругое рассеяние ) нейтронов при взаимодействии их о поверх-' ноотью,который эффективно подавляетоя отжигом сооудов в вакууме и кислороде, а также глубоким охлаждением оооудов. Введение верхнего ограничения на эффективное сечение неупругих процессов, отличных от нагрева УХН, которые могут давать вклад в дополнительную утечку ( <1 барна при тепловой энергии).

10. Разработка методики и создание установки для прямого исследования процессов взаимодействия УХН с поверхностью различных веществ. Исследования процессов взаимодействия УХН о поверхностью меди и бериллия, в результате которых установлено, что причиной дополнительной утечки УХН из медных и бериллиевых сосудов является нагрев нейтронов до энергии,близких к тепловой (~25 ыэВ

при Т=300К). Обнаружение и исследование температурной зависимости вероятности нагрева УХН при взаимодействии с поверхностью меда и бериллия. Введение верхнего ограничения на.эффективные сечения неунругих процессов, отличных от нагрева, которые могут давать вклад в дополнительную утечку УХН (<1барна для мзди, <1,5 барна для бериллия). ■ ■

11. Результаты изучения основных характеристик процесса дополнительного нагрева УХН при взаимодействии о,поверхностью меди и бериллия ( эффективные скорости и угловые распределения нагретых УХН, температурные зависимости вероятности нагрева и энергии нагретых УХН).Анализ полученных данных, показавший-, что наблюдаемый нагрев может бить объяснен наличием на поверхности адсорбированных соединений, содержащих водород и азот,а также существованием в приповерхностных слоях металла растворенного или хемосорбированного водорода о концентрацией ( ~ 15$ для меда и ( 4*5)$ для бериллия).

12. Разработка метода подавления дополнительной утечки УХН из сосудов путем низкотемпературной конденсации льда Д^О с целью экранировки поверхностного водорода. Результаты эксперимента по хранению УХН в "чистом" сосуде со стенками из льда Д2О, в котором впервые осуществлено хранение УХН до бета-распада ( £* = 920±40с). Практическое решение проблемы дополнительной или " аномальной" утечки УХН из сосудов.

13. Разработка принципиально нового метода измерения Т^ , ос-новшшого на хранении газа УХН в сосудах. Теория метода и анализ погрешностей измерений. Создание установки для.измерения Т^

с использованием охлажденных сосудов из алюминия и льда ^0.'

14. Результат измерений "Ср, составивший { 900 * П)с, что соответствует отношению —= - 1.260* 0,01.

С*

Научяяя ютш ра<?9тн-

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведено детальное исследование процесса распространения УХН по нейтронопроводящим каналам и обосновано применение диффузионной теории для описания тока газа УХН в нейтронопроводящих системах. Предложен и экспериментально проверен метод расчета пропускания сложных нейтроноводов с отражающими УХН конструктивными элементами.

2. Впервые экспериментально доказана теоретически предсказанная возможность хранения нейтронов с помощью магнитных полей.- Беостеноч-ное магнитное удержание нейтронов, являющееся аналогом известного явления хранения УХН в замкнутых оосудах, может найти применение как в постановке новых исследований по изучению фундаментальных свойств -нейтрона, так и в практике работы о УХН ( транспортировка, поляризация и фокусировка нейтронов).

3. Выполнен широкий круг исследований по хранению УХН в сосудах и дано объяснение механизма дополнительной или " аномальной" утечке УХН. Полученные результаты представляют собой заметный вклад в физику взаимодействия нейтронов сверхнизких энергий с веществом. Исследования по хранению УХН в сосудах и прямому изучению процессов взаимодействия УХН с поверхностью металлов будут полезными как для дальнейшего развития.теории хранения, так и применения УХН в других областях физических исследований ( физика поверхности, (физика тонких пленок, адсорбционные явления и др.). Одним из перспективных направлений использования газа УХН может стать изучение динамики поверхностного водорода и развитие методов активационного анализа поверхностных примесей. •

4. Впервые подавлением дополнительной утечки доказана возможность хранения УХН в " чистых" сосудах практически до бета-распада. Дслучен-

иый результат стал подтверждением справедливости теории ^ранения

ю

УХН в сосудах, основы которой были заложены в работах Я.Б. Зельдовича и Ф.Л. Шапиро с сотрудниками до обнаружения дополнительной утечки УХН. Найденные способы подавления дополнительной утечки УХН и создания " чистых" оооудов открывают широкие возможности применения УХН как для измерения Т^, так и других исследований, требующих длительного хранения нейтронного газа. '

5. Впервые разработан принципиально новый метод измерения основанный на хранении УХН в сосудах. При использовании современных интенсивных источников УХН ( ЛИШ, г. Гатчина; ИЛЛ, франция, Гренобль) метод может обеспечить точность измерений на уровне 0,1$ а даже лучше. Достижение такой точности представляет чрезвычайный интерес в планэ постановки полного опыта по изучению бета-распада нейтрона ( например, в связи о проблемой существования правых токов).

6. Впервые выполнены измерения методом хранения УХН о точностью 1,2/5. Полученный результат ( 900 * 11с) по уровню точности практически совпадает с наиболее точным результатом, достигнутым пучковым методом ( П.Е. Спивак и др. С 891 * Ю)с). Совпадение в пределах I^-ной погрешности значений ' Çj , полученных принципиально разными способами, существенно повышает обоюдную достоверность применены* методик. Определенное в диссертационной работр отношение

— ' * я - 1,260 + 0,01, что хорошо согласуется в рамках &v

варианта теории слабого взаимодействия с данными по угловда аорре-ляциям продуктов бета-распада нейтрона.

Практическая ценность работы.

Практическая ценность работы определяется:

I. Освоением техники получения УХН на высокопоточном реакторе .и развитием новых методик исследовании потоков УХН, расширивших

арсенал имеющихся экспериментальных средств работы с УХН.

и

2. Разработкой метода расчета пропускания сложных яейтрояоводов, который мозет быть обобщен на произвольные нейтронопроводяцие устройства.

3. Реализацией хранения УШ в ловушке типа магнитная " чаша" и созданием элементарной теории хранения нейтронов в подобных ловушках. Результаты этих работ будут полезны при проектировании

и разработке магнитных систем, предназначенных для хранения, транспортировки, поляризации и спектрометрии УЖ

4. Разработкой универсального метода изучения процесса хранения УХН в оооуд&х и измерения ^ экоп» позв<:шшЧего вести исследования о широким кругом вещеотв и способов обработки их поверхности. Экспериментальными данными по хранению УХН в сосудах из различных материалов, газокинетике УХН, влиянию газовых оред и поверхностных адсорбированных соединений на процеосе хранения. Полученные данные представляют интерес Для практических работ о использованием хранящегося газа УХН.

5. Объяснением механизма дополнительной утечки УХН в сосудах из алюминия, меда и бериллия ( нагрев УХН) и изучением ооновных характеристик этого процесса. Разработкой прямого метода исследования процессов взаимодействия УХН о поверхность» различных веществ, который может быть эффективно использован для изучения адсорбционных явлений, определения концентрации водорода на поверхности и других задач , выходящих за рамки физики УШ.

6. Практическим решением проблемы дополнительной утечки УХН из сосудов, разработкой способов подавления данного канала потерь

и создания " чистых"оосудов для хранения нейтронов до бета-распада.

7. Разработкой нового метода измерения и проведением измерений этой величины с точностью 1,2%.

СОДБР&ШЙЕ ДИССЕРТА1Щ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы.

Во взедении обосновывается актуальность темы, изложены основ-ше цели работы и полученные результаты.

Первая глава диссертации имеет методический характер и посвя-1ена вопросам получения УХН на высокопоточном реакторе, транопорти-ювкя нейтронов но нейтронояроводжцш каналам а метрологии потоков 1Н.

В перзом обзорном разделе рассмотрены основные свойства УХИ, !ЭТОДЫ 355 получения и регистрации.

Второй раздел посвящен технике получения УХН на реакторе СМ-2 :етодом их выведения горизонтальными нейтроноводами из гидрид-цир-ониевых конверторов. Приведено описание и основные характеристики яти установок для получения УХН, последняя из которых обеспечивала

_р _т

лотнос-ть выведенного потока 120см с в интервале энергии от 7

до 1,8'10 эв. В комплексе с установками для получения УХН исполь-овался гравитационный формирователь, выделявший из газа УХН моно^-нергетические пучки ультрахолодных и очень холодных нейтронов со коросты) (2 12)ы.с~*. Созданные источники обеспечили проведение ак методических исследований с УХН, так и работ по хранению нейтрон-эго газа, измерению , изучению процессов взаимодействия УХН

газовыми и конденсированными средами.

В третьем разделе приведены результаты исследований процесса юпространения УХН по нейтронопроводйщим каналам. В результате >учения распространения УХН по прямым нейтроноводам установлено, "о при любом качестве обработки поверхности, длине и характере ¡спериментаяьного устройства на выходе нейтроноводов, ток газа

ХН хорошо описывается ди^зионным приближением с зеркально-

диффузным законом отражения УХН от поверхности нейтроноводов. Экспериментально иоследовало влияние конструктивных элементов { угловых поворотов, диафрагм, мембран) на процеоо распространения УХН. Разработан и проверен метод расчета пропускания сложных нейтрон водов с конструктивными элементами, основанный на диффузионном приближении. Метод имеет общий характер и может применяться для самь различных нейтронопроводящих каналов, используемых как для выведения УХН из замедлителя, так и передачи нейтронного газа от произвольного источника к потребителю ( экспериментальному устройству).

Четвертый раздел посвящен методам исследования потоков УХН, выводимых из замедлителя горизонтальными транспортными нейтроново-дами. Проанализированы возможности повышения пропускания нейтроноводов в проточном и накопительном режимах выведения. Разработаны методы и устройства для измерения плотности потоков УХН, а так жб их угловых и энергетических распределений. Опиоаны основы барьерной спектрометрии УХН и гравитационный накопительный спектрометр, использовавшийся для измерения спектров на выходе установок УХН реакто ра СМ-2.

Вторая глава диссертации посвящена хранению УХН о помощью магнитных полей.

В первом разделе рассмотрены физические основы хранения УХН •о помощью неоднородных магнитных полей и проведен обзор теоретических работ по этому вопросу.

Во втором разделе описаны предварительные опыты по наблюдению эффекта полного отражения УХН от барьера,создаваемого полем,и хранению УХН в магнитно-стеночной ловушке. Эксперименты подтвердили существование полного отражения с УХН с энергией £ и спином вдоль поля от магнитного барьера высотой £ . На основе этого эффект

был создан магнитный барьерный спектрометр потока УХН. Хранение УХН

в магнитно-отеночной ловушке показало, что в неоднородном поле,

меняющемся от 50 Э до 5,0 кЭ на характерной длине 0,5 м, вероятность

—2 —Т

деполяризации нейтронов не превдаает 10 о . Полученные результаты подтвердили возможность хранения УХН в полностью замкнутой магнитной полости ( ловушке),что дало основание приступить к её разработке.

В третьем разделе дано описание созданной на СМ-2 магнитно-гравитационной ловушки УХН и её вспомогательных систем.

Для проведения магнитного хранения была выбрана система типа магнитная "чаша".Анализ движения нейтронов в системе такого типа позволил установить связь меаду параметрами полей магнитных зеркал, образующих "чашу",и фазовым объемом накапливаемых в ней нейтронов. Магнитная система ловушки, построенной на СМ-2,представляла собой цилиндрическую чашу диаметром 64 см, высотой 30 см, образованную плоским горизонтальным и цилиндрическим вертикальным магнитными зеркалами. При напряженности поля 2,5 кЭ на поверхности зеркал ловушка удерживала в своем объеме УХН о энергией (6-15)'Ю-9 эВ. Заполнение ловушки велось через отверстие в дне, запиравшееся автономной магнитной пробкой. В объеме хранения имелось 4 нулевые линии и I нулевая точка, образованные в результате суперпозиции полей горизонтального ^вертикального зеркал. Для уменьшения вероятности деполяризации УХН на нулевых линиях в объеме ловушки создавалось дополнительное аксиально-симметричное магнитное поле. С этой целью через ось ловуапси пропускался прямой проводник о током 100 А.

В четвертом разделе описываются результаты экспериментов по хранению УХН в ловушке, рассмотрена элементарная теория хранения УХН, выполнены расчеты ожидаемых времен хранения и проведено их сравнение с экспериментально полученными временами.

При испытании ловушки был зафиксирован процесс хранения газа 7X1! о характерным временем (35 * 7)с. Частичным подавлением деполяризации УХН на нулевых линиях поля время хранения было увеличено до (80 + 15)с. Результат эксперимента подтвердил предсказанную В.В. Владимирским возможность хранения нейтронов с помощью магнитных полей. Полученные времена хранения оказались близки к ожидавшимся из теоретических оценок. Анализ всех возможных каналов потерь УХН из ловушки показал, что при полном подавлении деполяризации на нулевых линиях время хранения должно возрасти не менее чем до 200о. Принципиально в ловушках типа "магнитная чаша" время хранения можно поднять до несколько сотен секунд. В заключение главы рассмотрен метод измерения ^ с помощью подобных ловушек, позволяющий экспериментально определять утечку УХН из объема удержания по всем каналам, отличным от бета-распада. Предложенный метод требует для реализации источников УХН, превосходящих по интенсивности источники £М-2 на 2*3 порядка.

Третья глава диссертации посвящена исследованию процесса хранения УХН в замкнутых сосудах.

В первом (обзорном) разделе рассмотрены работы по хранению, в которых била обнаружена дополнительная утечка УХН из сосудов и проводилось исследование этого канала потерь УХН.

Во втором разделе приведены результаты исследований процесса хранения в сосудах из различных материалов и определения коэффициентов потерь УХН при ударах о стенки сосудов ( параметров

^ эксп) • Описана универсальная схема постановки экспериментов по хранению УХН, позволяющая определять . ^ эксп практически для любых материалов с произвольной величиной ЕГр ( граничная энергия), Предложен и освоен разностный метод определения ЭК0П, дающий возможность измерять эту величину для образцов произвольной улрш,

размеров а агрегатного состояния. Разработан способ измерения спектров УХН, хранящихся в сосуде, с помощью погружающегося в нейтронный газ.поглотителя. Описана математическая процедура определения

аксп из данных по хранению с учетом неоднородности плотности газа УХН и спектрального раойределения нейтронов.

С помощью разработанных методов были измерены параметры ^ аксп при Т«300 К для рада веществ, поверхность которых проходила химическую очистку. Как для ранее исследовавшихся материалов ( медь (безборное стекло, бериллий),так и материалов,изучавшихся впервые ( алюминий, свинец, цинк, нержавеющая оталь, латунь), наблюдалось превышение параметра эко£ над соответствующим расчетным значением Ц . Величина превышения колебалась в пределах

3-Ю"4 + 2'10-^) для различных материалов. После отжига сосудов в вакууме, сопровождавшегося десорбцией примесей о их поверхности, и последующей конденсации на поверхность чистых метал-" лов, дополнительная утечка УХН подавлялась до уровня избыточного

~( 2+3)При хранении УХН в " динамически чистом" сосуде, т.е сосуде,на поверхность которого конденсация металла велась во время хранения, подавить дополнительную утечку ниже этого уровня не удалось. Отсюда сделан вывод, что,если поверхностные примеси являются причиной дополнительных потерь при Д£я:(2+3)'10~4, то скорость их проникновения через слой чистого металла не ниже

Третий раздай посвящен изучению некоторых каналов потерь КСН, дающих вклад в дополнительную утечку их из сосудов.

С помощью вертикального гравитационного формирователя нейтронных пучков и хранением УХН в сосудах с различными газами проверен

закон 6* >* где ¿Г. - полное сечение взаимодействия УХН о

Ы Й£ *** > ■ .

газовой молекулой. Показано, что для любого газа имеется характерное

произведение. где Р - давление газа, Тг - время жизни

нейтрона в газовой среде. Измерены РТГ доя гелия , аргона, кислорода, водорода,азота,углекислого газа и воздуха при Т«300 К. Из полученных данных сделан вывод, что при вакууме выше 10_4торр вклад рассеяния и захвата УХН на остаточном газе оосуда в дополнительную утечку пренебрежимо мал.

Прямым измерением спектров УХН в сосуде доя различных моментов хранения доказано, что возможные квазиуцругие отражения нейтронов от стенок не дают заметного вклада в дополнительную утечку УХН. Берг няя оценка на среднее изменение й£ энергии УХН при соударении со стенками составила 7'10~^эВ.

При хранении УХН в сосуде, помещенном в магнитном поле, оценен вклад в утечку нейтронов гипотетического канала потерь, связанного с возможностью существования скрытых.состояний у нейтрона. Показано, что,если такой канал и существует, то избыточный

коэффициент потерь связанный с ним, не превышает (0,2+03)'Ю-

Для определения вклада в дополнительную утечку цроцесса неупругого рассеяния ( нагрева ) УХН проведено систематическое изучение хранения нейтронов в алюминиевых сосудах. Показано, что дополнительные потери эффективно подавляются отжигом сосудов в кислороде до уровня я 1,8"Ю-4 при 1= 300 К. Впервые обнаружена температурная зависимость вероятности дополнительных потерь ( Т ) , по характеру близкая к Из найденой зависимости следовало,

что дополнительная утечка из алюминиевых сосудов яри Т=300 К обусловлена нагревом УХН не менее,чем на 80$. Дано ограничение на-сечение ( менее I барна при тепловой энергии) для любых процессов потерь УХН не нагревного характера . Таким образом, проведенными опытами опровергнуто предположение о едином, универсальном для всех веществ механизме потерь УХН, вероятность которого не зависит от температуры сосудов.

В четвертой главе диссертации описаны эксперименты по прямому изучению процессов взаимодействия УХН с поверхностью металлов и подавлению дополнительной утечки нейтронов.

В первом разделе проведен анализ накопленных экспериментальных данных по хранению УХН, из которого сделан вывод, что основной вклад в дополнительную утечку дает нагрев и захват УХН на физичео-ки адсорбированных поверхностных примесях. После отжига, сопровождающегося десорбцией примесей, величина А^ понижается до уровня С 1+3)'10-4. Введено понятие остаточной утечки УХН, соответствующей ( 1+3)'Ю-4,т.е. уровню потерь УХН, на котором наблюдалась температурная зависимость ДЦ . Проанализированы все опыты, в которых наблюдалась температурная независимость и показано, что тезис о температурной независимости Л £ является недостаточно обоснованным. Сделан вывод о необходимости прямого исследования процессов, ответственных за остаточную утечку УХН.

Во втором разделе приведены результаты исследования процессов взаимодействия УХН с поверхностью меди и бериллия. Для проведения исследований был разработан метод и создана установка, позволявшая в диапазоне температур ( 100 + 1000Ж вести одновременные измерения ^ эксп Л1"1 поверхности выбранного образца и потока УХН, нагревающихся ; на этой поверхности. В установке предусматривалась возможность измерения угловых и энергетических распределений нагретых УХН. Основной целью измерений было установление связи между ^ эксп и потоком нагретых УХН, который пропорционален вероятности утеч -ки УХН по каналу нагрева.

С помощью созданной установки бшш изучены процессы взаимодействия УХН с поверхностью меди и бериллия на различных стадиях эчистки от адсорбированных примесей. Проведен анализ десорбирующихся

примесей) показавший, что при десорбции примеси образуют газовую среду, в составе которой Ц , Оо, 1^0 и Установлено, что на любом уровне очистки поверхности основным каналом дополнительной утечки является нагрев УХН. Остаточная утечка для меди не менее чем на 70% обусловлена нагревом УХН. Для бериллия остаточная уточка о вязана с нагревом не менее чем на 60$. Вклад в остаточную утечку возможных процессов не нагревного характера таков, что ах сечение не превышает I бариа для меди и 1,5 барна бериллия.

Исследована температурная зависимость вероятности остаточной утечки УХН для меда и бериллия, измэрены средние скорости нагретых УХН гак функции температуры, определены угловые распределения наг ретых УХН. Показано, что остаточную утечку УХН можно объяснить наличием водорода в приповерхностном слое меди и бериллия, который не удаляется ни отжигом, ни разовым разрядом. Для меди достаточно 15$ водорода, чтобы.обменить наблюдаемую остаточную утечку, для бериллия ( 4*5)$.

- Третий раздел посвящен экспериментальному подавленна дополнительной утечки и созданию " чистых " сосудов УХН.

На основе результатоа},описанных в предыдущем разделе, и анализа литературных данных по концентрации водорода в приповерхностных слоях предложена гипотетическая модель динамики растворенного водо£ у поверхности металла. Показано, что наиболее простым путем удаленг водорода из приповерхностных слоев стенок сосудов является низкотемпературная конденсация на поверхность паров Д20 шш С02» При этом приповерхностный слой металла экранируется безводородным льдом, через который ьодород не проникает из-за малого коэадициен та диффузии в области низких температур.

Для реализации " чистого " сосуда УХН создана установка, позволявшая вести хранение УХН в алюминиевом сосуде, на стенки которо

конденсировался лед Д£0 ори 60 К. При хранении УХН в " чистом" сосуде впервые удалось осуществить хранение нейтронов до их бета-распада. Из полученного времени хранения (920 * 40)о следовало, что оотаточную утечку удалось подавить до уровня д^%Это означало, что проблема дополнительной утечкм УШ практически решена.

В пятой главе диссертации описаны постановка и результаты измерений Т^ методом хранения УХН в сосудах.

В первом разделе даны основы бета-распада нейтрона,'рассмотрена связь ТА с отношением в рамках У- Д теории слабого взаимодействия, приведено краткое описание пучковых экспериментов по намерении Т^.

Во втором разделе анализируются методические возможности применения газа УХН для измерения Показано, что для определения "Сд необходимо, как минимум, два независимых эксперимента по хранению УХН, в которых будет известно отношение вероятностей потерь яейтронов при ударах о стенки. Проведен анализ методических и статистических погрешностей определения данным способом, показав* аий, что оптимальной является постановка экспериментов с введением з сосуд хранения дополнительной поверхности. Введение дополнитель-юй поверхности позволяет контролируемым образом изменять вероят-юсть потерь УХН в сосуде за счет соударений. Методически наиболее зыгодио использовать цилиндрический сосуд с плоским дном радиусом .-9 ~, в объем которого вводятся горизонтальные пластины, уста-

С

хавливаемые на высоте Н — относительно дна ( Я. - ускорение ;или тяжести). Получены основные соотношения для расчета отношения эероятностей потерь УХН о введенной и выведенной дополнительной юверхностью.Для экспериментальной оценки возможностей метода вы-юднени предварительные измерения 17а по хранению УХН в алюминиевом ¡осуде при Т=300 К.„ Полученное значение составило 875* 90 о.

йналиЗ Погрешностей йзйвреаий покйзай^ Ш) &ля дальнейшего улучшения точности необходим Переход к сосудам большого объема, в которых остаточная утечка УВД будет подавлена охлаждением или экранировкой поверхности о помощью льда Д^О.

В третьем разделе приведены результаты измерений Т^ методом хранения УХН в герметичном алюминиевом сооуде, охлажденном до 80 К. За счет очистки поверхности кислородным отжигом и глубокого охладд ния вероятность потерь УЖ в стенках была понижена до 20,? от вероятности полных потерь. Для определения вклада стеночных потерь в сосуд у дна устанавливались горизонтальные алюминиевиб штстины, проходившие Фак^Й' же обработку поверхности, что и сосуд. В результа те измерений получено значение » 903 * 13с.

В четвертом разделе описывается эксперимент по Измерению методом' хранения УШ в оооуде со стенками из тяжелогодного льда.

Для проведения измерений на поверхность алюминиевого сосуда

при 80К конденсировался лед ¿^0, что позволило подавить стеночные

потери УШ до 3% от величины полных потерь. Оценка вероятности

потерь УХЫ в стенках осуществлялась введением в сосуд горизонтальны

алюминиевых дисков, на поверхность которых был также сконденсирован

лед Д^О. Диски устанавливались на высоте (1+2)см от дна сосуда.

Полученное в результате измерений значение Тр составило 89Э£ 20с.

Средневзвешенное значение Ха по результатам двух измерений равно

/С!

900+ Не, что соответствует отношению в-1,26* 0,01. В завер-

V ' '

шении главы обсуждаются дальнейшие перспективы совершенствования метода измерения ТГд и достижения точности измерений 0,1$.

В заключении диссертации анализируются основные научные резул! таты, полученные в работе,а также возможности их применения в различных облаотях физичеоких исследований.

Основные результдаа работы можно сформулировать следующим образом:

1. Освоена техника получения УХН на высохопоточном, реакторе, изучены закономерности, распространения газа, УХН по вейтронопроводя-щим каналам, разработащ, оснр^ы, мртролр1ЧЩ цртрков УХН.

2. Доказана возможность храдения. нейтронного газа о помощью магнитных полей, исследован процесс хранения УХН в магнитных "чашах предложен метод измерения о помощью магнитных ловушек.

3. Исследованы основные закономерности протекания процесса хранения в замкнутых сосудах, дано объяснение физического механиз- ' ма дополнительной утечки УХН в сосудах из ряда материалов ( медь, алюминий, бериллий).

4. Найдены способы подавлешш дополнительной утечки УХН из сосудов и создания " чистых" сосудов для удержания УХН вплоть до бета-распада.

5. Разработан новый и перспективный метод измерения посредством хранения УХН в сосудах.

6. Выполнены измерения ^ методом хранения о точностью 1,2%.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты диссертационной работы докладывались, и обсуждались на семинарах ИАЭ, ФИАН, №3» ( г. Москва), ОШЛ ( г. Дубна), ДШ> ( г. Ленинград), НИИАР ( г. Димитровград), на Ш,1У,У,УП Всесоюзных конференциях по нейтронной физике ( г. Киев), на Международном симпозиуме по неупругому рассеянию нейтронов ( г. Вена, Австрия, 1977), на Ш Международной школе по нейтронной физике , ( г. Алушта, 1978) , .на Международной конференции по взаимодействию нейтронов с ядрами ( г. Лоуэлл, США, 1976), на сессии Академии Наук СССР/январь 1983 г./ и опубликованы в работах[1-401 ,

О0ъем дшрдертаад.

Диссертационная работа наложена на 336 страницах, включающих

282 страниц машинописного текста и описок цитированной литературы.

иэ 202 наименований на 24 страницах. Работа содержит 81 рисунок

и 13 таблиц.

• Основное содержание диооертации отражено в следующих работах:

1. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В.И., Нефедов В.Н. •-" Установка для получения УХН на реакторе СМ-2 В кн.: " Нейтроннг физика", М., ЦНИИатоминформ, 1976,4.2. о 183-187.

2. Косвинцев Ю.Ю., Кушнйр Ю.А., Морозов В.И.-" Установка для изучения удержания У2Н в замкнутом сосуде большого объема ".

В кн.: " Нейтронная физика", М., ЩИИатоминформ, ч.2, 1976, о 188-192.

3. Коовинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А. .Морозов В.И. »Платонов А.П.-" Распро-. отранение УХН по цилиндрическим нейтроноводам",В кн.: Нейтронная физика".М.,ЦНИИатоминформ, ч.2., I97G, о 193-200; Препринт

■ НШАР,П-268,г. Димитровград, 1976, 23с.

4. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В.И.-" Отражение ультрахолс

ных нейтронов от энергетического барьера, создаваемого магнитным

полем. " Пиоьйда в КТФ, т.2(7),1976, с 135-138.

5. Коовинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В.И.-" Хранение ультрахолодных .нейтронов в сооуде с "магнитной" стенкой" Письма в Ш&, т.23(2),1976,с 135-138.

6. Косвинцев Ю.Ю. - Кушнир Ю.А., Морозов В.И., Терехов Г.И. -" Применение магнитных полей для отражения и хранения ультрахолодних нейтронов". Препринт НИИАР, П-15(281), г. Димитровград, 1976, 20с.

7. КосЕинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Кулагин E.H., Морозов В.И., Стрелков A.B. -" Извлечение УХН из высокопоточного реактора СМ-2". вообщеше ОИЯИ, P&-I0238, г". Дубна, 1976,13с.

8. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир JQÍA. , Морозов В.И., Терехов Г.И.-" О возможности применения оценочных и магнитных ловушек УХВ для измерения времени жизни нейтрона".. • Приборы и техника экс-пермента, й I, 1977, с 42-44.

9¿ Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В. И.-"Получение монознер- • готических пучков ультрахолодных нейтронов из газа УХН", Материалы международной конференции по взаимодействию нейтронов ó ядрами

...'-. с

США,Лоуэлл, 1976, о 1377. 1

10. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В.И.-" Хранение ультрахолодных нейтронов на горизонтальной плоскости с ограничивающими . стенками". Материалы международной конференции по взаимодействию нейтронов с ядрами, СЩ, Лоуэлл, 1976, с 1375.

XX* Kosvintaev Yu.Yu., Kulagia B.S., Kushair Yu.A., Moroeov 7.1*,. Strelkov A.7. Extraction of ultraoold neutroaa from high flux reactor SEí-2. Hucl.Instr. aad Meth., r.U3, 1977, p.133-137. •

X2. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А. „ Морозов В.И.-" Измерение энергетических спектров потока УХН'\ В кя: " Нейтронная физика ". М., ЦНИИатоминформ, Ч.1.Х977, с 156-159.

13. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В.И. Хранение ультрахолодных нейтронов на'медной плоскости В кн:" Нейтронная физиг ка". М., ЦНИИатоминформ, ч.Х , 1977, о I73-X77. '

14. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В.И.-" Получение моноэнерге 1 тических пучков очень холодных и ультрахолодных нейтронов на реакторе Cä-2". В кн:" Нейтронная физика". М., ЦНИИатоминформ, 4.1,1977, с 152-155. . •

33. Коошнцев В.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В,И., Терехов Г.И,-

" Эксперименты по изучению процесса хранения ультрахолодных нейтронов в медных сосудах". Препринт НИИЛР, 27(542), г. Дамитровград, 1982, 20с.

34. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В.И., Терехов Г.И.-"Изучение процесса взаимодействия УХН с поверхностью меди и бериллия". В кн:и аизика атомного ядра и элементарных частиц"., Ч.З.М., ЦНИИАИ, 1983, с 74-78.

35. Косвинцев Ю.Ю., Кушнир Ю.А., Морозов В.И., Терехов Г.И..-" Исследование процесса хранения ультрахолодных нейтронов в сосуде из алюминия". В кн:" «Ьизика атомного ядра и элементарных-частиц", ч 3,М., ЦНИИАИ, 1983, с

36. Косвинцев Ю.Ю., Морозов В.И., Терехов Г.И.-" Исследование взаимодействия УХН о поверхностью бериллия". Препринт ШЩР, 36(601), г. Дамитровград, 1983, 16с. '

37. Косвинцев Ю.Ю., Морозов В.И., Терехов Г.И.-" Экспериментальное исследование пропускания нейтроноводов УХН с отражающими элементами". В кн: " Нейтронная физика", ч 4,М. , ЦНИИатоша-форм, 1964,с 3-4.

38. Косвинцев Ю.Ю., Морозов В.И., Терехов Г.И.-" Распространение нейтронного газа по прямым цилиндрическим нейтроноводам".

В кн: "Нейтронная физика", М., ЦНИИатоминформ, ч.З, 1984, о 328-332j Препринт НИИАР-Х4(660),М.,1985,18 с.

39. Косвинцев Ю.Ю., Морозов В.И., Терехов Г.И.-" Измерение времени жизни нейтрона методом хранения УХН". Письма в ЖЭ'1^,т.44

; (10),1984, с 444-446.

40. Косвинцев Ю.Ю., Морозов В.И., Панин Ю.Н., Рогов Е.В., шомин I -" Измерение времени жизни нейтрона методом хранения УХН в сосуде со стенками из тяжеловодного льда. В кн: Нейтронная <*изика",Ы., ЦНИИатоминформ, т.1, ХЭЬь.с 231-244.