Исследование взаимодействия ультрахолодных нейтронов с поверхностью вещества методом нейтрон-радиационного анализа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Российский научный центр «Курчатовский институт»

На правах рукописи УДК 539.125.5

ЧЕРНЯВСКИЙ Сергей Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ВЕЩЕСТВА МЕТОДОМ НЕЙТРОН-РАДИАЦИОННОГО АНАЛИЗА

Специальность: 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва — 2004

Работа выполнена в Институте Общей и Ядерной Физики Российского Научного Центра «Курчатовский Институт».

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук В.И.Морозов

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук А.М.Демидов

Кандидат физико-математических наук А.В.Стрелков

Ведущая организация - Институт теретической и экспериментальной

физики (ИТЭФ), г.Москва.

Защита состоится в_часов_2 004г.

на заседании диссертационного совета Д520.009.03 в ФГУ РНЦ «Курчатовский Институт» по адресу: 123182, г .Москва,пл.Курчатова 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский Институт»

Автореферат разослан_2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

А.Л.Барабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышенный интерес к процессам, происходящим при столкновении ультрахолодного нейтрона (УХН) с поверхностью вещества, обусловлен не только необходимостью улучшения точности экспериментов по изучению фундаментальных свойств нейтрона, но и стремлением наиболее полно изучить ряд явлений, описание которых выходит за рамки элементарной теории взаимодействия ультрахолодных нейтронов с поверхностью вещества.

Цель диссертационной работы. Основной целью работы является изучение процесса взаимодействия УХН с поверхностью вещества методом нейтрон-радиационного анализа. Направление исследований. Знание химического состава поверхности, облучаемой УХН, играет важную роль во всех экспериментах с УХН. Именно поэтому направление исследований данной работы было сосредоточено на разработке нового метода контроля элементного состава поверхности вещества - нейтрон-радиационного анализа на УХН. Методы исследований. Основные данные работы были получены при помощи метода нейтрон-радиационного анализа на УХН. Использовались также электронно - оптические методики исследования поверхности вещества такие как: рентген - флюоресцентный анализ, рентген-фотоэлектронный анализ, рентген-спектральный электронно-зондовый анализ. Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлены применяемым методом, суть которого состоит в совмещении нового способа исследования поверхности со стандартным экспериментом по хранению ультрахолодных нейтронов. Надежность результатов подтверждается совпадением величин, получаемых различными методами в рамках одного экспериментального измерения. На защиту выносятся следущие результаты:

1. Развитие принципиально нового метода нейтрон - радиационного анализа на ультрахолодных нейтронах для исследования взаимодействия УХН с поверхностью вещества.

2. Прямое доказательство присутствия водорода на поверхности широкого ряда веществ и материалов как причины дополнительного неупругого рассеяния УХН.

3. Количественное определение вклада водорода в величину полной вероятности потерь УХН.

4. Оценка величины сечения неупругого рассеяния УХН на поверхностно связанных протонах.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 3 БИБЛИОТЕКА

5. Оценка величины поверхностной концентрации водорода на различных стадиях обработки поверхности образцов.

6. Измерение коэффициентов потерь УХН по каналу радиционного захвата на поверхности бериллия, меди, никеля и молибдена.

7. Экспериментальное подтверждение справедливости описания процесса захвата ультрахолодных нейтронов на поверхности моноэлементных веществ в рамках общепринятой теории радиационного захвата медленных нейтронов.

8. Обнаружение эффекта селективного усиления захвата УХН при взаимодействии с поверхностью сплавов (нержавеющая сталь, латунь);

9. Объяснение эффекта селективного усиления захвата УХН пространственной неоднородностью эффективного потенциала взаимодействия медленного нейтрона с веществом.

Научная новизна. Впервые реализован метод нейтрон-радиационного азализа поверхности на УХН. В отличие от ранее проводившихся экспериментов, данный метод позволяет проводить измерение вероятности потерь УХН как по каналу неупругого рассеяния, так и радиационного захвата на изотопах, входящих в состав исследуемой поверхности вещества. Большинство полученных в работе данных являются новыми. Научная и практическая ценность.

Полученные в данной работе результаты содержат прямое доказательство справедливости гипотезы о водородосодержащих примесях на поверхности как основном источнике избыточного вклада в величину полной вероятности потерь ультрахолодных нейтронов. Метод контроля потерь ультрахолодных нейтронов может с успехом использоваться в различных экспериментах с УХН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 31 рисунок и 10 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 60 наименований. Общий объем работы 109 страниц. Содержание диссертации.

Введение содержит краткий обзор современного состояния вопроса о механизме взаимодействия УХН с веществом, изложена постановка задачи и сформулированы выносимые на защиту результаты диссертационнной работы.

В первой главе в свете проблемы "аномального" взаимодействия УХН с веществом изложено описание процесса взаимодействия УХН с конденсированными средами, представлены связи экспериментально получаемых величин с параметрами теории.

Малая энергия УХН (:£ 10"7эВ ) является причиной того, что они отражаются с вероятностью близкой к единице от поверхности большинства веществ и материалов как от потенциальных барьеров, обусловленных нейтрон - ядерным взаимодействием. Высота барьера называется граничной энергией вещества и в случае моноэлементной среды выражается через длину когерентного рассеяния и плотность ядер вещества

следующим образом:

2яЙ2 , Ьь. = -"Со-

процессы поглощения и неупругого рассеяния УХН на ядрах вещества описываются

коэффициентом потерь Г) =-£-— и (7^ - сечения захвата и неупругого рассеяния

соответственно). В случае облучения исследуемой поверхности изотропным потоком УХН, выражение для полной вероятности потерь имеет вид:

где V - скорость УХН, 1)11а = Л/2Б11а1/т11 - граничная скорость вещества. Для среды, состоящей из N видов изотопов, выражения для граничной энергии Е11а и полного коэффициента потерь можно представить в следующем виде:

где - соответственно коэффициент потерь по каналу захвата, относительная

концентрация, длина когерентного рассеяния и сечение захвата каждого изотопа, коэффициент потерь и сечение неупругого рассеяния УХН на тепловых колебаниях решетки. Приведенные выше формулы составляют основу для расчета граничных энергий и вероятностей потерь различных веществ и материалов.

Возможность накопления УХН и последущего хранения в вещественных сосудах открывала перспективы постановки эксперимента по прецизионному измерению времени жизни нейтрона до р- распада на ультрахолодных нейтронах. Однако, многочисленные эксперименты по хранению УХН в сосудах, проведенные в период 1972-80гг., показали, что реально наблюдаемые времена хранения существенно меньше расчетных. Практически во всех экспериментах было обнаружено систематическое расхождение расчетного и экспериментального значений коэффициента потерь Г), варьировавшееся для различных

материалов в пределах Д/7 = >7^ - Г) = (0.25 - 2) ■ 10"' при температуре Т =300К.

Полное совпадение теоретических и экспериментальных значений коэффициента потерь получено было лишь для борсодержащего стекла, что, в принципе, подтверждает справедливость теории для веществ с большим сечением захвата.

При помощи техники регистрации потока тепловых нейтронов, исходящего от сосуда с УХН, удалось показать, что значительная часть избыточной вероятности потерь УХН может быть объяснена их неупругим рассеянием в диапазон тепловых энергий, например, на тепловых колебаниях водородосодержащих примесей. Методом ядерных реакций водород был обнаружен на поверхности практически всех веществ, применявшихся для изготовления сосудов хранения УХН. В зависимости от способа очистки поверхности, его концентрация в

приповерхностном слое толщиной меняется от

Исследования корреляционной зависимости полной вероятности потерь УХН от величины потока нагретых нейтронов при различных стадиях очистки поверхности косвенно подтверждали справедливость водородной гипотезы.

Однако, попытки понизить избыточную вероятность потерь различными методами очистки поверхности сосудов хранения от водорода не привели к сколько-нибудь значимым результатам.

Наиболее интересными оказались результаты эксперимента с глубоко охлажденным бериллием - материалом, обладающим малым сечением захвата нейтронов. Несмотря на тщательную очистку и последущий контроль элементного состава бериллиевой поверхности, полученная величина полной вероятности потерь в 100 раз превосходила расчетное значение полной вероятности потерь. При этом избыточная часть полной вероятности потерь УХН выглядела практически независящей от температуры в диапазоне Простые

оценки указывали на неприменимость «одородной» гипотезы к объяснению наблюдаемого результата. Температурная независимость данного эффекта заставляла предполагать

существование принципиально нового механизма взаимодействия нейтрона с веществом, проявляющегося при подбарьерном отражении УХН, например, усиления захвата. Поиск объяснений привел к попыткам пересмотра закона дисперсии нейтрона в веществе для области энергий сверхмедленных нейтронов, к гипотезе сверхслабого нагрева УХН.

Из-за отсутствия конкретного механизма, приводящего к наблюдаемому усилению потерь УХН, данная проблема получила название проблема аномальных потерь УХН или просто аномалии.

При внимательном просмотре всей истории исследований с ультрахолодными нейтронами нельзя не заметить, что естественным дополнением к ранее использованным методикам стали бы регистрация и последующий анализ мгновенного гамма-излучения, возникающего в результате захвата УХН ядрами исследуемой поверхности. Такой подход позволил бы одновременно измерить парциальные вероятности потерь УХН как по каналу захвата различными ядрами в поверхностном слое, так и по каналу неупругого рассеяния. Величина коэффициентов потерь УХН по каналу захвата не зависит от температуры вещества и легко рассчитывается по вышеизложенным формулам. Сравнение результатов измерений именно этого параметра с расчетом позволило бы дать прямой ответ на вопрос о справедливости общепринятой теории взаимодействия УХН с веществом.

Вторая глава содержит описания метода нейтрон-радиационного анализа на ультрахолодных нейтронах и методик измерения, как полной вероятности потерь, так и вероятности потерь по каналу неупругого рассеяния УХН применительно к изучению процесса взаимодействия УХН с веществом.

Суть предлагаемого метода заключается в совмещении традиционного эксперимента по хранению УХН с хорошо развитым методом спектрометрии мгновенного излучения, возникающего при захвате нейтронов ядрами анализ).

Схема работы стандартного эксперимента по хранению УХН изображена на рис.1. Исследуемый образец помещен в экспериментальный объем (вакуумированный сосуд для удержания УХН). Через входную диафрагму 50 в экспериментальный объем поступают ультрахолодные нейтроны от стационарного источника УХН, плотность которого контролируется с помощью детектора УХН (монитора), подключенного через диафрагму такой же площади к транспортному нейтроноводу в непосредственной близости от входной диафрагмы. Плотность потока УХН внутри экспериментального объема измеряется

детектором УХН, присоединенным к сосуду через диафрагму площади . Детектор и монитор обладают эффективностью регистрации УХН е0.

УХН покидают сосуд хранения тремя возможными путями: -при захвате на ядрах поверхности сосуда или поверхности образца,

-в результате неупругого рассеяния в диапазон тепловых энергий на поверхности сосуда или поверхности образца,

- вытекая через диафрагмы отверстия (в транспортный нейтроновод) и (на детектор УХН)

Далее показано, что из измерений плотности потока УХН ультрахолодных нейтронов на входе и непосредственно в самом в экспериментальном объеме с образцом и без образца можно получить значение полной вероятности потерь УХН рш:

где скорости счета монитора и детектора в объеме с образцом и без

образца соответственно, Яд, Бр - площади образца и диафрагмы детектора соответственно.

Регистрация потока - излучения радиационного захвата УХН ядрами поверхностного слоя осуществляется при помощи спектрометра излучения, размещенного в непосредственной близости от сосуда хранения с исследуемым образцом. Показано, что выражение для вероятности потерь УХН по каналу захвата на изотопах 1-ОГО химического элемента на исследуемой поверхности имеет вид:

А = {ег(Ек)1^Ек)

где ЫГ(Е1)- скорость счета в пике полного поглощени^яквантов с энергией £к> абсолютное значение эффективности регистрации квантов с энергией выход

- квантов с энергией для естественной изотопической смеси. Усреднение производится по набору данных для всех значимых спектральных линий, соответствующих му элементу.

Установка детектора тепловых нейтронов с эффективностью регистрации нагретых нейтронов ех , позволяет измерить разностным методом средние по потоку вероятности нагрева УХН на поверхности образца :

где и М* - скорости счета детектора тепловых нейтронов для сосуда хранения с образом и без образца соответственно.

захвата Д! к независящей от скорости нейтронов величине коэффициента потерь Г)'с требуется провести измерение спектра хранящихся УХН, например, с помощью гравитационного спектрометра и рассчитать усредненное по спектру потока значение функции

Следует отметить, что для большинства спектров, реализующихся в экспериментах с УХН, хорошо работает приближение /(V) » /(V).

Таким образом, показано, что в рамках одного эксперимента представляется возможным провести измерение полной вероятности потерь УХН и ее составляющих по каналам нагрева и радиационного захвата на ядрах, входящих в состав поверхностного слоя исследуемого вещества. Анализ спектров мгновенного у - излучения позволяет прямым образом определить состав поверхностностного слоя вещества, доступного УХН, а также проверить справедливость теории взаимодействия УХН с веществом относительно процесса радиационного захвата нейтронов.

В третьей главе приведены описания схем экспериментальных установок и калибровочных процедур.

Совмещение установки по хранению УХН со спектрометрическим оборудованием выдвигает ряд требований к конструкции экспериментальной установки.

Для осуществления измерений разностным методом конструкция установки должна предусматривать возможность выведения образца из экспериментального объема в предварительный объем без нарушения вакуума. Изменение условий облучения образца потоком УХН (измерение полной вероятности потерь) требует установки перед входом в экспериментальный объем со стороны источника УХН узла, позволяющего менять размер

Л _ Во К .

Р* ~ "77 »1* ' с ' е* Но

Для приведения экспериментального значения вероятности потерь по каналу

/(V) = 2 (агсБ1П (-?—) -V2 V!»

,2

). Тогда: г}'с = ц\ / /(V).

отверстия входной диафрагмы. Конструкция экспериментального объема рассчитывается из требования расположения в нем образца с площадью до 1м2, что влечет за собой необходимость оптимального выбора количества детекторов УХН для корректного определения потока УХН, облучающего образец. Компановка всех вышеперечисленных узлов должна обеспечивать оптимальное расположения у - спектрометра и детектора нагретых нейтронов в непосредственной близости к объему хранения для достижения максимально возможной геометрической эффективности регистрации квантов и нагретых нейтронов.

Проведение измерений предполагается в условиях плохого отношения эффект/фон. Причем основной компонентой фона является излучение, возникающее при захвате ультрахолодных нейтронов ядрами вещества внутренних стенок экспериментального объема и захватом нагретых нетронов в кристаллах спектрометра и конструкционых материалах установки. Окружив экспериментальный объема образцом достаточно толстым слоем порошка карбида бора, можно конвертировать поток нагретых нейтронов в поток моноэнергетических у - квантов: с вероятностью 0.96 ядро лития TLi из реакции (|0ВСп, а)11л)образуется в возбужденном состоянии и высвечивает у-квант с энергией 478 кэВ Такое решение позволяет существенно понизить уровень фона при измерении у -спектров, и, в тоже время, использовать спектрометр в качестве детектора нагретых нейтронов с приемлемым уровнем эффективности регистрации. Подавление компоненты фона, обусловленной захватом УХН ядрами в составе материала стенок сосуда храненения, возможно при покрытии внутренней поверхности сосуда хранения веществом с низким сечением захвата и высокой граничной энергии для УХН, например, бериллием, алмазоподобной пленкой или дейтерированным полистереном DPS.

На рис.2 схематично показана одна из трех созданных в процессе работы экспериментальных установок.

Экспериментальный объем установки был выполнен из электрополированного отрезка нержавеющей трубы с внутренним диаметром 15см и длиной 30см. Один торец закрывался плоским нержавеющим основанием вакуумного шибера, отделяющим экспериментальный объем от камеры отжига. В основание фланца, закрывающего другой торец сосуда хранения, имелась цилиндрическая полость из электрополированной нержавеющей стали диаметром 9см и длиной 12 см, во внутреннем объеме которой соосно размещался германиевый

детектор. Пространство между кожухом германиевого детектора и внутренней поверхностью полости заполнялось порошком карбида бора (борный конвертор). Толщина слоя карбида бора составляла 0.7см. Образец располагался в кольцевом зазоре между внешней поверностью стакана и внутренними стенками обечайки экспериментального объема, что обеспечивало максимум геометрической эффективности регистрации потоков у квантов и нагретых нейтронов, исходящих с поверхности образца. Перемещение образца из камеры отжига в экспериментальный объем сосуда осуществлялось при открытом шибере с помощью штока, на конце которого имелось специальное резьбовое соединение.

Экспериментальный объем соединялся с транспортным нейтроноводом источника УХН через блок перемещаемой входной диафрагмы, позволяющем менять величину входного потока УХН.

Измерение падающего на образец потока УХН осуществлялся при помощи детектора УХН, присоединенного через отверстие в боковой стенке экспериментального объема. Для мониторирования входного потока к транспортному нейтроноводу подключался еще один детектор УХН (монитор).

Для контроля примеси надграничных нейтронов через специальный тройник с тонкой . мембраной из материала, соответствующего верхней границе спектра, к транспортному нейтроноводу подключался третий детектор УХН.

Использование германиевого детектора с чувствительным объемом около

100см3 позволяло проводить спектрометрию У' излучения с энергетическим разрешением 2.5 КэВ для у -квантов с энергией 1332 кэВ ОТ 60Со.

Система безмаслянных насосов, состоящей из форвакуумного и турбомолекулярного насосов обеспечивала вакуум в экспериментальном объеме и камере отжига не хуже, чем

2 • 10"* Topp.

Все установки были созданы в Лаборатории нейтронных исследований ИОЯФ ФГУ РНЦ «Курчатовский Институт». Измерения проводились на источниках УХН реактора ИР-8 ФГУ РНЦ «Курчатовский . Институт» и высокопоточного реактора Института Лауэ-Ланжевена (ILL, Гренобль, Франция).

Для формирования необходимого спектра УХН установки поднимались над уровнем транспортного нейтроновода источника на высоту 50-100см. Часть подводящего нейтроновода замещалась вакуумированным алюминиевым сосудом с внутренним диаметром 30см и длиной 70см, наполненным кусками алюминиевой и кадмиевой фольг.

Внутренние стенки алюминиевого сосуда и фольг покрывались безводородным маслом Fomblin, что приводило к интенсивному выбыванию из проходящего через эту систему потока нейтронов со скоростями выше граничной скорости Fomblin (1^1я=4.53м/с). Спектр УХН измерялся гравитационным спектрометром.

Перед началом измерений осуществлялось определение относительных

эффективностей регистрации детекторов УХН. Для определения соотношений —- И ——

спектрометра - квантов использовались калибровочные образцы, имитирующие пространственные излучения - квантов и тепловых нейтронов исследуемых образцов.

Результат абсолютной калибровки величин

ег(Е = 2222 кэВ)

для наиболее

Со

светосильной установки на базе германиевого - спектрометра высокого разрешения выглядит следующим образом:

е,(Е = 2223кэВ) , е , - = 4.9(2) • 10"3, Ье. = 2.12(10; • 1(Г3

Так как основные измерения проводились разностным методом, особое внимание уделялось изучению структуры фонового нейтронного и излучения.

В четвертой главе представлены и обсуждаются результаты исследования, посвященного обнаружению водорода на поверхности.

Водород был обнаружен на поверхности нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т, бериллия, меди, молибдена, латуни, графита, тефлона и безборного стекла.

Перед началом измерений образцы подвергались химической очистке, промывке в дистиллированной воде и сушке. Начальное состояние образцов характеризуется высокой вероятностью потерь и высоким содержанием водорода, при котором

Для всех исследованных веществ, за исключением бериллия, отжигом при в течение одного часа удается понизить величину до уровня , что

соответсвует объемной концентрации водорода порядка 10%.

Однако, для бериллиевого образца отжигом при в течение четырех часов не

удалось понизить значение вероятности потерь по каналу захвата поверхностным водородом -Н _ л т«/Ю| . 1Л-5

ниже уровня Предположение о том, что водород равномерно

растворен в поверхностном слое бериллия приводит к слишком высокому значению концентрации («50ат.%). Более реалистичной выглядит модель водорода, адсорбированного на поверхности бериллия в виде пленки. Оценить поверхностную концентрацию водорода в этом случае можно с помощью формулы:

Рс" = МнЩк<т? / IVПт ,

где - сечение захвата нейтрона со скоростью

протоном. Это соответствует значению поверхностной концентрации N^=4.8 • Ю" СМ~г. Максимальная концентрация водорода на поверхности возникает непосредственно после химической очистки поверхности бериллия и составляет 6.4- 1017 СМ'1. По-видимому, в этом

состоянии на поверхности существует водяная пленка толщиной

Следует отметить, что для всех исследованных в работе веществ и материалов сумма экспериментальных значений вероятностей потерь УХН по каналам захвата на ядрах исследуемого образа и протонах неупругого рассеяния совпадает с величиной полной вероятности потерь , полученной методом хранения. Это наглядно доказывает

работоспособность нового метода.

В исследованиях, проведенных на образцах нержавеющей стали и бериллия, обнаружена линейная корреляция интенсивности характерной линии излучения дейтона с энергией 2224кэВ с интенсивностью линии 478кэВ из реакции а'Р Ы). Линейную

корреляцию эффектов неупругого расеяния УХН и их захвата на водороде можно объяснить постоянством сечения неупругого рассеяния УХН для части водородосодержащих примесей, полностью удаляемых с поверхности образца отжигом (рис.3). Если предположить, что наблюдаемое изменение вероятности неупругого рассеяния УХН полностью обусловлено уходом с поверхности образца соответвующего количества водорода, то можно оценить величину сечения неупругого некогерентного рассеяния, прихоящегося на один протон как:

где 4», =( А, Г °","Г' - ( А, )П0СЛе тЖ"Г" . =( М" Г т""* - ( Ис Г"" тШт- В таблице I

приведено отношение для всех исследованных в работе веществ и

материалов.

Таблица 1. Дц^/Дц" для удаляемых отжигом водородосодержащих примесей.

Образец

Бериллий < 15.8(9) •

Медь 13.2(15) -

Нержавеющая сталь 1Х18Н9Т 9.7(12)

Молибден 16.5(17)

Латунь 10.8(11)

Графит 19.0(25)

Тефлон 20.1(22)

Безборное стекло 21.1(20)

Полученные оценки величины сечения неупругого некогерентного рассеяния поверхностно связанного водорода для всех изученных материалов лежат в диапазоне от 10 до 22 в единицах сечения захвата нейтрона протоном £Г(.Н. При этом вероятность потерь УХН по каналу захвата на водороде колеблется в диапазоне , что

соответствует значениям поверхностной концентрации водорода В

данных пределах изменения концентрации поверхностного водорода наблюдаемые значения сечения неупругого рассеяния можно объяснить рассеянием УХН на акустических колебаниях связанных протонов в диапазон энергий 5-30мэВ, либо рассеянием на водородных связях типа О-Н. Из этого предположения следует вывод о слабой температурной зависимости эффекта избыточной вероятности потерь УХН по каналу неупругого рассеяния при изменении температуры образца в диапазоне

Следует отметить, что остаточное значение Дсн на бериллиевом образце позволяет объяснить захватом УХН на водородосодержащих примесях около 30% от величины широко известного температурно независимого эффекта «аномального» поглощения УХН. Можно предположить, что при понижение температуры берилливого образца концентрация водорода на поверхности возрастает.

В пятой главе приведены результаты измерений вероятности потерь по каналу радиационного захвата УХН для моноэлементных веществ, таких как бериллий, медь, никель и молибден. Целью данных измерений являлась проверка теории радиационного захвата в области энергий УХН. Все образцы представляли собой фольги толщиной 50-200мкм и площадью Перед измерениями осуществлялось обезгаживание образцов при

температуре 150*С в течение 2-х часов. Характерный спектр у- излучения, полученный бериллиевого образца приведен на рис.4. Для расчета коэффициента потерь использовалисть данные по спектру УХН на входе в экспериментальный объем. Для учета

эффекта поглощения потока нагретых нейтронов в объеме образца, измерения проводились с образцами разной площади. В пределах точности эксперимента: полученные для всех образцов коэффициенты потерь по каналу радиационного захвата совпадают со значениями, рассчитанными в рамках элементарной теории взаимодействия медленных нейтронов с

Таблица 2. Результаты измерений рс И Г\с для меди, никеля и молибдена и

бериллия

Элемент N1 Си Мо Ве

Д. • 104,эксперимент 1.10(15). 1.1(1) 0.70(9) 0.0029(15)

т}с • 104,эксперимент. 1.18(17) 1,23(12) 1.06(14) 0.004(2)

г/с • 104, теория' 1.21' 1.36 1.10 0.0032

веществом (Таблица 2).

В шестой главе изложено описание эффекта селективного усиления захвата УХН, обнаруженного на сплавах (нержавеющая сталь, латунь), и его объяснения.

Нержавеющая сталь марки широко применяется в экспериментах с

ультрахолодными нейтронами для изготовления сосудов хранения и траспортных нейтроноводов. Расчетное значение коэффициента потерь для данной марки

нержавеющей стали практически полностью обусловлено процессами радиационного захвата на ядрах железа, хрома, никеля и титана. Однако в экспериментах по хранению УХН не удавалось достичь значения Т) ниже, чем 10"3. Исследования причин наблюдаемого десятикратного превышения полного коэффициента потерь над расчетным значением ранее не проводились.

Исследуемый образец был выполнен из электрополированной фольги нержавеющей стали марки IX18Н9Т толщиной 200 мкм, и представлял собой свернутую в спираль гофру шириной 10 см и внешним диаметром 8 см с полной площадью 3120 см1. Измерения выполнялись после химической очистки поверхности образца травлением в кислоте и

вакуумного отжига при температуре около в течение 2-х часов.

Прямые измерения парциальных вероятностей захвата выполнялись по наиболее интенсивным у переходам при захвате УХН ядрами Ре, Сг, 71. Полученная методом нейтрон-радиационного анализа полная вероятность потерь УХН согласуется с

величиной, измеренной методом хранения. Результаты представлены в табл.3. Сравнение экспериментальных и теоретических значений коэффициентов потерь по каналу захвата на ядрах элементов, входящих в состав нержавеющей стали показывает, что экспериментальные

вероятности захвата значительно выше теоретических. Эффект увеличения носит селективный характер и максимально выражен для титана. Данные нейтрон-радиационного и рентген-флюоресцентного анализа на глубину 50 мкм подтвердили паспортный состав образца нержавеющей стали. Тенденции к повышению содержания И по мере уменьшения глубины анализируемого слоя не наблюдалось.

Таблица 3. Результаты измерений ¡лхс и Г}\ для образца нержавеющей стали.

Элемент N1 Т1 Ре Сг

Не • ю4 0,83(10) 1,23(4) 1,74(10) 1.19(9)

г)\ ■ 104,эксперимент 0,86(11) 1.28(5) 1,81(11) 1,24(10)

ц\ • 104, теория 0,128 0,014 0,60 0,207

Отношение экспУтеор. 6,7 9! 3 6

• 104 0,73(11) 1,27(5) 1.21(11) 1,03(10)

В связи с этим возникло предположение, что титан образует выходящие на поверхность кластеры, размеры которых больше длины волны УХН. Тогда нейтроны свободно проходят в кластеры и движутся в них, отражаясь от границ, пока не захватятся или не выйдут назад в вакуум. Если в кластерах имеется какое-то количество ядер железа, никеля и хрома, то УХН будут также эффективно ими захватываться.

Для проверки гипотезы о кластерах были выполнены исследования особенностей структуры стали 1Х18Н9Т методами электронной микроскопии. Использовался просвечивающий электронный микроскоп GEOL-100CX и цифровой растровый электронный микроскоп DSM-960, оснащенный рентгеноспектральными анализаторами.

Анализ микрофотографий различных участков образца подтвердил существование в нержавеющей стали 1X18Н9Т двух различных по размеру групп кластеров карбида титана. Кластеры равномерно распределены по объему образца. Известно, что в стали 1Х18Н9Т титан может присутствовать в виде мелких карбидных выделений, формирование которых имеет термодинамическую природу. Размер, количество и характер их распределения в структуре металла определяются температурой и временем отжига стального изделия. Кроме того, титан может присутствовать в виде металлургических включений различного состава, формирующихся в процессе плавки и приготовления стали. Отличительной особенностью таких включений являются их размеры, обычно превышающие несколько микрон. Такие включения видны на рис. 5а и 56 как кластеры с характерными размерами более 1 МКМ. Из-за отрицательной длины когерентного рассеяния нейтрона ядрами титана граничная энергия карбида титана заметно меньше граничной энергии

нержавеющей стали 1.8 • 10"' эВ. Поэтому выходящие на поверхность кластеры деформируют распределение эффективного потенциала взаимодействия УХН с поверхностью. Нейтроны с энергией могут проникать в объем кластера и

двигаться внутри, отражаясь от его стенок, пока не захватятся или не выйдут в вакуум. Оценка избыточной вероятности захвата Л^', связанного с проникновением УХН в крупные кластеры, дает Последняя величина показывает, что крупные

кластеры карбида титана вызывают необходимый эффект усиления захвата УХН ядрами титана. Показано также, что наблюдаемое усиление захвата УХН на других элементах, входящих состав нержавеющей стали можно также объяснить структурными особенностями данного материала. Таким образом, наблюдаемый эффект селективного усиления захвата на поверхности нержавеющей стали марки не противоречит существующей теории

взаимодействия УХН с многокомпонентной средой.

При исследовании процесса захвата ультрахолодных нейтронов на поверхности латуни также наблюдался эффект селективного усиления захвата УХН. Латунь представляет собой сплав меди с цинком Полученные с помощью элементарной теории

УХН значения для латуни оказываются равными:

После обработки гамма-спектра, полученного при облучении образца латуни УХН, оказалось, что экспериментальное значение коэффициента потерь по каналу захвату УХН ядрами цинка в 4.3 раза превосходит расчетную величину, в то время как измеренное значение находится в хорошем согласии с рачетом (Таблица 4). Последущее

исследование поверхности образца методом растровой электронной микроскопии не выявило

какой-либо кластерной структуры в приповерхностном слое толщиной порядка Однако, содержание цинка и меди на поверхности образца составляет 72% и 28% соответственно. Вероятно, что подобное изменение поверхностного состава латуни могло возникнуть на этапе подготовки образца к измерениям (электрополировка, отжиг). Так как для когерентного рассеяния цинка меньше то эффективный потенциал УХН на поверхности образца оказывается ниже, чем в объеме, что, в свою очередь, приводит к увеличению эффективной глубины проникновения УХН внутрь образца. Именно это

обстоятельство позволяет объяснить увеличение коэффициента потерь по каналу захвата на цинке, при неизменном коэффициенте потерь по захвату на меди.

Таблица 4. Результаты измерений Д£ и Г)'с для образца латуни.

Элемент Си гп

К ■ ю4 0.76(7) 0.50(5)

г)\ • IО4,эксперимент 0.98(9) 0.65(6)

т}\ • 104, теория 0.97 0.15

Отношение эксп./теор. 1 4.3

В заключении сформулированы основные результаты диссертации и намечены возможные пути дальнейшего направления исследований взаимодействия УХН с конденсированными средами.

Основные результаты работы:

1. Предложен и реализован принципиально новый метод нейтрон - радиационного анализа на ультрахолодных нейтронах для исследования взаимодействия УХН с поверхностью вещества.

2. Методом нейтрон - радиационного анализа получено прямое доказательство присутствия водорода на поверхности широкого ряда веществ и материалов как причины дополнительного неупругого рассеяния УХН.

3. Определен вклад водорода в величину полной вероятности потерь УХН.

4. Получена оценка величины сечения неупругого рассеяния УХН на поверхностно связанных протонах.

5. Получена оценка величины поверхностной концентрации водорода на различных стадиях обработки поверхности образцов.

6. Измерены коэффициенты потерь УХН по каналу радиционного захвата на поверхности бериллия, меди, никеля и молибдена.

7. Экспериментально подтверждена справедливость описания процесса захвата ультрахолодных нейтронов на поверхности моноэлементных веществ в рамках общепринятой теории радиационного захвата медленных нейтронов.

8. Обнаружен эффект селективного усиления захвата УХН при взаимодействии с поверхностью сплавов (нержавеющая сталь, латунь);

9. Предложено объяснение эффекта селективного усиления захвата УХН (в случае нержавеющей стали) неоднородностью распределения эффективного потенциала взаимодействия медленных нейтронов с веществом.

0 2 4 6

Мс". ю

Рис.3. Корреляционная зависимость вероятности нагрева УХН Д, от вероятности их захвата протонами Дсн для образца нержавеющей стали.

Рис.5. Микрофотографии участка поверхности нержавеющей стали 1Х18Н9Г, полученные при помощи просвечивающего электронного микроскопа JEOL-IOOCX: а - группа мелких кластеров, б-крупный кластер.

Апробация работы Результаты, представленные к защите, опубликованы в периодической научной печати [14-19], докладывались на ежегодних конференциях ИОЯФ РНЦ им. И В. Курчатова, первой европейской конференции по нейтронному рассеянию (ECNS 1, Interlaken 1996), международных семинарах по взаимодействию нейтронов с ядрами (ISINN-5, Дубна 1997, ISINN-8, Дубна 1999), международных совещаниях, посвященном проекту УХН -фабрики (1,2,3 UCN Factory Workshop , Пушкин 1998,2001,2003), совещании « UCN Anomalies- where do we stand?» (ILL, Grenoble, France 2000). Результаты диссертации опубликованы в работах

1. С.В.Жуков, В_Л.Кузнецов, В И Морозов, Ю.Н Панин, А И.Фомин, С.М.Чернявский -Наблюдение нагрева УХН при взаимодействии с поверхностью у -спектрометрическим методом, Письма в ЖЭТФ, том 57, вып.8, стр 446-450,1993г.

2. С.САрзуманов, Л.Н Бондаренко, Е.И Коробкина, В.И.Морозов, Ю.Н.Панин, А.И Фомин, С.М.Чернявский, С.В Шилкин, П Гелтенборт, В.Дрексел, М.Пендлебери - Исследование процесса взаимодействия УХН с поверхностью бериллия методом нейтрон-радиационного анализа, препринт ИАЭ-6010/2, Москва, 1996г.

3. S.Arzumanov, S Chernyavsky, A Fomin, P.Geltenbort, V.Morozov, S.Shilkin - The investigation of UCN interaction with the surface of beryllium and stainless steel by the new method based on the neutron unduced у -radiation analysis, Physica В 234-236 (1996), 1189-1191.

4. С.САрзуманов, Л.Н Бондаренко, Е И Коробкина, В.И.Морозов, Ю.Н.Панин, А И.Фомин, С М.Чернявский, С.В.Шилкин, П Гелтенборт, В Дрексел, М.Пендлебери, К.Шрекенбах -

Наблюдение эффекта селективного усиления захвата ультрахолодных нейтронов ядрами, Письма в ЖЭТФ, том 65, вып.1, стр.3-8., 1997г.

5. S.S.Arzumanov, S.T.Belyaev, L.N.Bondarenko, S.M.Ivanov, E.I.Korobkina, A.N.Lyubimov, V.I.Morozov, A.I.Ryazanov, Yu.N.Panin, A.I.Fomin, S.Chemyavsky, P.Geltenbort, J.Pendlebury, K,Shreckenbach - Cluster structure of the material surface as the cause of the selective enhancement of ultracold-neutron capture associated with subbarire reflection, JETP, vol.88, n.l, 1999, pp.72-78.

6. S.Arzumanov., L.Bondarenko, P. Geltenbort, E.Korobkina, V.Morozov, Y.Panin, A.Fomin, S.Chemyavsky. Investigation of the radiative capture of UCN at the matter surface. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 440,690-694 (2000)

Подписано в печать 16 09 2004. Формат 60x90/16 Печать офсетная Усл. печ л. 1,3 Тираж 50. Заказ 54

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

04'15151

Введение.

Глава 1. Проблема аномалии взаимодействия ультрахолодных нейтронов с конденсированными средами и методы ее решения.

1.1 Общие положения теории взаимодействия УХН с конденсированными средами.

1.2 Основные этапы экспериментального исследования взаимодействия ультрахолодных нейтронов с веществом.

Глава 2. Метод нейтрон-радиационного анализа ядерного состава поверхности на ультрахолодных нейтронах.

2.1 Методики измерения полной и парциальных вероятностей потерь УХН.

Глава 3. Экспериментальные установки и калибровочные измерения.

3.1. Общие требования, предъявляемые к конструкции экспериментальной установки.

3.2 Установка на основе сцинтилляционного детектора у-излучения.

3.2.1. Описание конструкции установки.

3.2.2 Калибровочные измерения.

3.3 Экспериментальные установки на базе германиевого^ - детектора высокого разрешения.

3.3.1 Описания конструкции установок.

3.3.2 Исследование параметров установок и калибровочные измерения.

Глава 4. Обнаружение водорода на поверхности и определение его вклада в избыточный (аномальный) коэффициент потерь УХН.

4.1 Изучение процессов неупругого рассеяния и захвата УХН водородом на поверхности нержавеющей стали.

4.2 Изучение процессов неупругого рассеяния и захвата УХН водородом на поверхности бериллия.

4.3 Результаты измерений корреляционной зависимости вероятности неупругого рассеяния УХН от вероятности захвата на поверхностном водороде для меди, молибдена, латуни, графита, тефлона и безборного стекла.

Глава 5. Исследование процесса радиационного захвата УХН на поверхности моноэлементных веществ.

5.1 Изучение процесса захвата УХН на поверхности бериллия.

5.2 Изучение процесса захвата УХН на поверхности медн, никеля и молибдена.

Глава 6. Обнаружение и объяснение эффекта селективного усиления радиационного захвата УХН на поверхности сплавов.

6.1 Наблюдение эффекта селективного усиления захвата УХН на поверхности нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т.

6.2 Кластерная структура вещества как причина селективного усиления захвата УХН, взаимодействующих с поверхностью нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т.

6.3 Изучение процесса радиационного захвата УХН, взаимодействующих с поверхностью латуни.

За 30 лет своего существования экспериментальная физика ультрахолодных нейтронов (УХН) шагнула далеко вперед, дав новые результаты по определению фундаментальных свойств нейтрона. Это эксперименты по измерению времени жизни свободного нейтрона до бета-распада [1], по поиску электрического дипольного момента нейтрона [2] и электрического заряда нейтрона [3].

Малая энергия УХН (< Ю~7эВ ) является причиной того, что они испытывают полное отражение от энергетических барьеров, обусловленных ядерным, магнитным и гравитационным взаимодействиеми. Вытекающая отсюда возможность хранения ультрахолодных нейтронов в сосудах и магнитных ловушках позволила не только осуществить вышеуказанные эксперименты, но и поставила перед исследователями проблему, до сих пор не получившую окончательного решения.

Время удержания ультрахолодных нейтронов в сосуде хранения существенно зависит от вероятностей процессов их неупругого рассеяния и захвата на ядрах материала стенок. Суммарную вероятность этих процессов принято называть полной вероятностью потерь УХН.

Несмотря на многолетние исследования, до сих пор не ясно, почему получаемые в экспериментах по хранению УХН значения полной вероятности потерь заметно превосходят величины, рассчитанные из общепринятых теоретических представлений о взаимодействии медленных нейтронов с конденсированной средой. Это расхождение сильно меняется от вещества к веществу, с которыми взаимодействуют УХН. Причем величина избыточной вероятности потерь слабо зависит от температуры и способов обработки поверхности [5,6].

На поверхности исследуемых веществ не были обнаружены примеси ядер с большими сечениями захвата (например, бора, азота, хлора) в количествах достаточных для объяснения наблюдаемого эффекта. одной из причин дополнительного вклада в вероятность потерь УХН является их неупругое рассеяние в диапазон 5-30 мэВ [7]. Вероятность такого неупругого рассеяния УХН в 50-100 раз превышает вероятность неупругого рассеяния УХН на тепловых колебаниях ядер самого вещества. Однако для объяснения дополнительных потерь УХН по каналу неупругого рассеяния, достаточно было предположить наличие водородосодержащих примесей на исследуемой поверхности. Данная гипотеза имела косвенное подтверждение в виде слабой температурной зависимости потока неупругого рассеянных нейтронов [8]. Методом ядерных реакций водород был обнаружен на поверхности практически всех веществ и материалов, используемых в экспериментах с ультрахолодными нейтронами [9]. Тем не менее, доступные в экспериментах с УХН методы очистки поверхности не позволили сколько-нибудь приблизиться к уровню теоретического значения вероятности потерь УХН.

Наиболее интересными оказались результаты эксперимента с глубоко охлажденным бериллием - материалом, обладающим малым сечением захвата нейтронов [10]. Несмотря на тщательную очистку и последущий контроль элементного состава бериллиевой поверхности, полученная величина полной вероятности потерь в 100 раз превосходит расчетное значение полной вероятности потерь [10]. При этом избыточная часть полной вероятности потерь УХН выглядела практически независящей от температуры в диапазоне (6-80)°К. Простые оценки указывали на неприменимость водородной гипотезы к объяснению наблюдаемого результата. Температурная независимость данного эффекта заставляла предполагать существование принципиально нового механизма взаимодействия нейтрона с веществом, проявляющегося при подбарьерном отражении УХН. Поиск объяснений привел к попыткам пересмотра закона дисперсии нейтрона в веществе для области энергий сверхмедленных нейтронов [11,12], к гипотезе сверхслабого нагрева УХН [13]. Возникла необходимость экспериментальной проверки теории радиационного захвата нейтронов ядрами в диапазоне энергий УХН.

Накопленный экспериментальный материал обладал существенным недостатком: малое количество измеряемых параметров для полноценного анализа наблюдаемого явления.

Например, при сравнении экспериментальных и модельных кривых температурной зависимости полной вероятности потерь, с необходимостью предполагалось постоянство поверхностной концентрации водорода во всем интервале температур образца. Для определения избыточной вероятности потерь использовалось значение вероятности потерь УХН по каналу захвата для чистого вещества, рассчитанное в приближении прямоугольного потенциального барьера. Далеко не всегда осуществлялся контроль химического состава доступного для УХН приповерхностного слоя вещества.

Таким образом, механизм взаимодействия ультрахолодных нейтронов с поверхностью вещества выглядел весьма туманно. С одной стороны, присутствовали указания на несправедливость элементарной теории, с другой стороны, экспериментальные факты не позволяли отдать предпочтение той или иной гипотезе. Из-за отсутствия конкретного механизма, приводящего к наблюдаемому усилению процессов потерь УХН, данная проблема получила название проблема аномальных потерь УХН или просто аномалии.

При внимательном просмотре всей истории исследований с ультрахолодными нейтронами нельзя не заметить, что естественным дополнением к ранее использованным методикам стали бы регистрация и последующий анализ мгновенного гамма-излучения, возникающего в результате захвата УХН ядрами исследуемой поверхности. Такой подход позволил бы одновременно измерить парциальные вероятности потерь УХН как по каналу захвата различными ядрами в поверхностном слое, так и по каналу неупругого рассеяния. Несмотря на то, что развитие данного метода вело к существенному прогрессу в понимании механизма подбарьерного отражения ультрахолодных нейтронов, низкая эффективность гамма - спектрометрических установок и низкие потоки УХН делали вовсе неочевидным успех работы в данном направлении.

Данная работа посвящена экспериментальной реализации ранее не применявшегося в физических исследованиях с УХН метода нейтрон-радиационного анализа с последующим использованием его для изучения процесса взаимодействия ультрахолодных нейтронов с нержавеющей сталью, бериллием, медью и другими веществами и материалами. Первоначально работа велась в направлении создания установки на основе сцинциляционного детектора гамма-излучения. Водород был явно обнаружен на поверхности нержавеющей стали. Была также установлена корреляционная зависимость между вероятностей потерь УХН по каналам неупругого рассеяния и захвата протонами. Для дальнейшего продолжения исследований был применен полупроводниковый Ge(HP) гамма-спектрометр объемом около 100см3. Основные измерения с образцами бериллия, нержавеющей стали, меди, никеля и др. проводились на источнике УХН высокопоточного реактора Института Лауэ-Ланжевена (ILL, Франция).

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

- развитие принципиально нового метода нейтрон - радиационного анализа на ультрахолодных нейтронах для исследования взаимодействия УХН с поверхностью вещества;

- прямое доказательство присутствия водорода на поверхности широкого ряда веществ и материалов методом нейтрон - радиационного анализа в эксперименте по хранению УХН;

- количественное определение вклада водорода в величину полной вероятности потерь

УХН;

- оценка величины сечения неупругого рассеяния УХН на поверхностно связанных протонах;

- оценка величины поверхностной концентрации водорода на различных стадиях обработки поверхности образцов;

- экспериментальное подтверждение справедливости описания процесса захвата ультрахолодных нейтронов на поверхности вещества в рамках общепринятой теории радиационного захвата медленных нейтронов;

- исследование процессов захвата и нагрева УХН при взаимодействии с поверхностью бериллия;

- измерение коэффициентов потерь УХН по каналу радиционного захвата на поверхности меди, никеля и молибдена;

- обнаружение эффекта селективного усиления захвата УХН при взаимодействии с поверхностью сплавов (нержавеющая сталь, латунь);

- объяснение эффекта селективного усиления захвата УХН (в случае нержавеющей стали) кластерной структурой вещества в рамках существующей теории взаимодействия медленных нейтронов с веществом;

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 31 рисунок и 10 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 60 наименований. Общий объем работы 109 страниц.

Опишем основные результаты выполненной работы.

Предложен и реализован принципиально новый метод нейтрон-радиационного анализа на ультрахолодных нейтронах для исследования процесса взаимодействия УХН с поверхностью вещества.

Во всех проведенных в рамках работы экспериментах наблюдается хорошее совпадение полной вероятности потерь ультрахолодных нейтронов, измеренной традиционым методом хранения, с суммой вероятности потерь УХН по каналу неупругого рассеяния и парциальных вероятностей их захвата на ядрах в составе поверхностного слоя вещества, полученных методом нейтрон-радиационного анализа на УХН. Это однозначно свидетельствует о работоспособности нового метода.

Впервые в эксперименте по хранению УХН методом нейтрон - радиационного анализа на поверхности всех исследованных в данной работе веществ и материалов обнаружен водород. Показано, что по мере очистки поверхности независящая от температуры образца величина вероятности потерь УХН по каналу захвата на поверхностном водороде меняется в диапазоне 3 ■ 10-6 -г- 2 • Ю-4, что, в приближении тонкой пленки (4.1.13), соответствует поверхностной концентрации водорода 1 • 1016 - 7 • 1017 ат/см2 . В некоторых случаях вероятность захвата ультрахолодных нейтронов на водороде связана линейной зависимостью с вероятностью их неупругого рассеяния. Соответствующая данному процессу величина сечения неупругого рассеяния УХН, приведенная на один поверхностный протон лежит в диапазоне 3 •*• 7 барн (при тепловой скорости падающего нейтрона). Это значительно меньше сечения рассеяния нейтрона свободным протоном (20барн) - минимального из используемых ранее для оценки вкладов нагрева и захвата на водороде в величину полной вероятности потерь УХН, [31, 36, 38]. В тоже время, полученная экспериментальная оценка сечения неупругого рассеяния УХН водородом соответствует рассеянию ультрахоложных нейтронов на акустических колебаниях связанного протона в диапазон энергий 5-30мэВ.

Остаточное значение вероятности неупругого рассеяния УХН порядка 10"4 при комнатной температуре, соответствующее нулевой (в пределах чувствительности экспериментальных установок) концентрации водорода (нержавеющая сталь), можно также объяснить рассеянием на поверхностном водороде с большим сечением неупругого рассеяния [36].

Таким образом, экспериментально подтверждена гипотеза о водороде как основном источнике избыточных потерь УХН, взаимодействующих с поверхностью вещества.

Проведенное исследование бериллиевого образца показывает, что даже после длительного отжига остаточная концентрация поверхностного водорода обеспечивает температурно независимую добавку к величине вероятности потерь на бериллии порядка 10~5, что составляет приблизительно 30% от величины широко известной «аномалии», наблюдаемой на глубоко охлажденной цельной бериллиевой ловушке установки для измерения времени жизни свободного нейтрона [13]. При температуре 10К еще около 20% вклада в «аномалию» можно объяснить неупругим расеянием УХН на остаточном водороде и конденсате остаточных газов. Поэтому решение проблемы получения чистого сосуда из бериллия для прецизионного измерения времени жизни нейтрона до ß- распада главным образом связано с прогрессом в разработки технологии очистки поверхности бериллия от водорода до уровня ниже 1015 ят/см2 , а также получения высокого вакуума («10~9 Topp при комнатной температуре) в объемах хранения УХН.

Определено значение коэффициента потерь УХН по каналу захвата на ядрах бериллия rfi* = 4(2) • 10~7. Данная величина находится в согласии со значением, рассчитанным в рамках стандартной теории взаимодействия медленных нейтронов с веществом, и ограничивает вероятность возможного процесса сверхслабого нагрева на 50-100нэВ УХН до уровня 8 • 1045 на один удар.

Обнаруженная у - спектрометрическим методом малая примесь хлора внутри экспериментального объема указывает на необходимость разработки экспресс-методов контроля за чистотой поверхности сосудов хранения экспериментов по измерению времени жизни свободного нейтрона. Это особенно актуально для экспериментов с применением безводородного масла фомблин [60].

Измерены вероятности потерь по каналу захвата УХН для меди, никеля и молибдена. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с расчетными значениями, что доказывает справедливость описания взаимодействия УХН с веществом в рамках общепринятой теории радиационного захвата медленных нейтронов.

Методом нейтрон - радиационного анализа на УХН исследовано взаимодействие УХН с нержавеющей сталью марки 1Х18Н10Т, широко используемой в экспериментах с ультрахолодными нейтронами. Обнаружено селективное усиление процесса захвата УХН различными элементами, входящими в состав данного типа нержавеющей стали, при общем четырех кратном (по сравнению с расчетом) увеличении суммарной вероятности захвата. Показано, что данное явление объясняется кластерной структурой вещества, исключающей использование модели прямоугольного потенциального барьера в качестве потенциала взаимодействия УХН с нержавеющей сталью данного типа. Элементарное обобщение модели потенциала в рамках существующей теории приводит к количественному согласованию наблюдаемых результатов с расчетом.

При исследовании процесса захвата УХН на поверхности латуни, обнаружен усиленный захват ультрахолодных нейтронов ядрами цинка. Четырехкратное (относительно расчета по формуле(1.1.17)) усиление парциального коэффициента захвата можно объяснить изменением концентрационного состава приповерхностного слоя латуни, вероятно, возникающее после отжига образца при температуре 350"С: на поверхности латуни образуется слой с повышенным содержанием цинка (»69%).

Проведенное исследование открывает возможность использования опыта хорошо известного объемного нейтрон - радиационного анализа [43] для иследования изотопного состава поверхности вещества. Развитие этого метода может привести к существенному прогрессу там, где требуется знание поведения водорода на поверхности вещества. Совмещение данного метода с методикой измерения спектров нагретых нейтронов позволит получить наиболее полную информацию о механизме захвата и неупругого рассеяния УХН при их отражении от поверхности вещества.

Дальнейшее развитие метода нейтрон - радиационного анализа на УХН зависит главным образом от прогресса в работах, нацеленных на повышение эффективности спектрометра у- излучения и понижение фонового излучения, исходящего со стенок экспериментального объема. Например, использование алмазоподобного покрытия стенок измерительного объема в совокупности с германиевым детектором объемом 150см3 приводит к улучшению чувствительности установки к регистрации у - квантов с энергией 2223 кэВ в 10 раз. Это позволит сократить площадь исследуемого образца до 200-500см , что оказывается существенным при работе с дорогостоящими материалами.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю В.И. Морозову, под руководством которого была выполнена эта работа, а также Ю.Н. Панину, JI.H. Бондаренко, А.И.Фомину, С.В.Жукову, В.Л.Кузнецову за плодотворную совместную работу.

Заключение

1. S. Arzumanov, L.Bondarenko et al., N1. A440(2000), 511-516.

2. K.F. Smith et al., Phys. Lett., В 234 191(1990).

3. I.S. Altarev et al., Phys. Lett., В 276, 242(1992).

4. W. Drexel, Neutron News 1(1990)23.

5. В.И.Морозов,препринт НИИ АР, Экспериментальные исследования с ультрахолодными нейтронами, г.Димитровград, 1980г.

6. Ultracold Neutrons, R. Golub, D. Richardson, S.K. Lamoreaux (Adam-Hilger, Bristol, 1991).

7. А.В.Стрелков, М.Хетцельт, ЖЭТФ, т.74,1978, с.23.

8. Ю.Ю. Косвинцев, Ю.АДушнир, В.И.Морозов идр., Препринт ОИЯИ РЗ-80-91, Дубна, 1980.

9. W.A.Lanford, R. Golub, Phys.Rev.Lett., 1977, v.39, n.24, p. 1509.

10. В.П. Алфименков, В.В.Несвижевский, А.П.Серебров и др., Письма в ЖЭТФ, 1992, т.55, с.92.

11. А.И. Франк, В.Г. Носов, препринт ОИЯИ РЗ-94-5, Дубна1994.

12. V.K. Ignatovich, Phys.Rew., 1997, В, v.55, n.22, р.14774.

13. В.П. Алфименков, В.В. Несвижевский, А.П. Серебров и др., «Аномальное взаимодействие ультрахолодных нейтронов с поверхностью бериллиевых ловушек», Препринт ЛИЯФ, 1991, 1729

14. С.В.Жуков, В.Л.Кузнецов, В.И.Морозов и др., Письма в ЖЭТФ, том 57, вып.8, стр.446-450,

15. S.Arzumanov, S.Chemyavsky, A.Fominet al., Physica В 234-236 (1997), 1189-1191

16. S.S.Arzumanov, S.T.Belyaev, L.N.Bondarenko et al.„ JETP, vol.88, n.l, 1999, pp.72-78.

17. S.Arzumanov., L.Bondarenko et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 440, 690-694 (2000)

18. С.С.Арзуманов, Л.Н.Бондаренко, Е.И.Коробкина и др., Исследование процесса взаимодействия УХН с поверхностью бериллия методом нейтрон-радиационного анализа, препринт ИАЭ-6010/2.

19. С.С.Арзуманов, Л.Н.Бондаренко, Е.И.Коробкина и др., Письма в ЖЭТФ, том 65, вып.1, стр.3-8.

20. Э. Ферми Научные труды, М.«Наука»,1971, т.1, с. 818.

21. Дж. Займан Модели беспорядка, М.«Мир», 1982, с.156.

22. Ф.Л.Шапиро, препринт ОИЯИ P3-7135, Дубна 1973.

23. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М, Квантовая механика. М.гНаука, 1989, стр.594

24. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М, Квантовая механика. М.:Наука, 1989, стр.693

25. V.F. Sears, Neutron News, Vol.3, No.3,1992

26. Гуревич И.И., Тарасов Л.В, Физика нейтронов низких энергий. М.:Наука, 1965.

27. Морозов В.И., Хранение УХН в замкнутых сосудах. Дмитровград: Изд.науч.-исслед. Ин-та атомных реакторов им. В.И. Ленина, 1980.

28. Игнатович В.К., Физика ультрахолодных нейтронов. М.:Наука, 1986.

29. Л.В. Грошев и др., Хранение ультрахолодных нейтронов в медных сосудах, сообщения ОИЯИ P3-9534, Дубна, 1976.

30. В.К. Игнатович, Препринт ОИЯИ, Р4-7055, Дубна, 1973.

31. D.I. Blokhintsev, PlakidaN.M., Phys. Stat. sol. (b) 82,627 (1977)

32. А.Д. Стойка, A.B. Стрелков, Препринт ОИЯИ, РЗ-11593, Дубна,1978.

33. W.Mampe, Bugeat. J.P., Phys.Lett., А78., 293(1980)

34. La Marche P.H. e.a., Nucl.Instr.&Meth., 1981, v.189, p.533.

35. Ю.Ю. Косвинцев, Ю.А,Кушнир, В.И.Морозов и др., Препринт ОИЯИ РЗ-80-91, Дубна, 1980.

36. Л.М. Сатаров, препринт ИАЭ-2681, Москва 1976.

37. Ю.Ю. Косвинцев, Ю.А,Кушнир, В.И.Морозов и др., Атомная Энергия, 1983, т.55, с.288.

38. Bugeat. J.P., W.Mampe, Z.Phys., B35 273(1979).

39. Bondarenko I.V., Krasnoperov A.V., Frank A.I. et al., JETP Letters, Vol. 67 pp. 786-792,1998

40. S.T. Belyaev, A.L. Barabanov. Interaction of ultra-cold neutrons with condensed matter, Ibid., p. 704- 708.

41. A.L. Barabanov, S.T. Belyaev. Multiple scattering theory for slow neutrons (from thermal to ultracold). Eur. Phys. J.B, 2000, v. 15, № 1, p. 59-75.

42. Демидов A. M., Методы исследования излучения ядер при радиационном захвате тепловых нейтронов, М., 1963.

43. Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF), BNL-NCS-51655-01/02-Rev, February 2001 National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, P.O. Box 5000, Upton, Long Island, New York 11973,2001

44. Н.Г.Волков, В.А.Христофоров, Н.П.Ушакова, Методы ядерной спектрометрии, М., Энерогоатомиздат, 1990.

45. Л.Н.Бондаренко, В.И.Морозов, Ю.Н.Панин и др., О возможности измерения времени жизни нейтрона методом хранения УХН с регистрацией нейтронов, покидающих сосуд, неупругим рассеянием, препринт ИАЭ-5342/2, Москва 1991

46. J.C. Bates, Nucl. Instr. and Meth. A249,261 (1986).

47. Антонов, Исаков, Мешков и др, НФ. 1984г., т.4, с. 22,40,48.

48. В.И.Морозов, Ю.Н.Панин, Е.В.Рогов, Установка для получения УХН на реакторе ИР-8, и анализ ее эффективности, ИАЭ-4410/2. Москва-ЦНИИатоминформ-1987.

49. Drexel W.Neutron News, Vol. NEWS 1 pp. 23-27,1990

50. H.H.Schmidt, P.Hungerford, H.Daniel et. al., Phys.Rev.C, V.25, n.6, Junel982, p.2888.

51. Физика поверхности, Колебательная спектроскопия адсорбатов, Пер.с англ./Под ред. Уиллиса.-М., МИР, 1984, с.161.

52. Ю.М.Каган, Письма в ЖЭТФ, 11,235 (1970).

53. А.М.Паршин, Структура, прочность и радиационная повреждаемость коррозионных сталей и сплавов, Металлургия, Челябинск (1988), с. 656.

54. R.G. Faulkner, J. Mater. Sci., 16 ,373 (1981).

55. Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева, Материаловедение, Машиностроение, (1990).

56. В.П. Алфименков, В.В.Несвижевский, А.П.Серебров и др., Письма в ЖЭТФ, 1992, т. 55, с. 92.

57. A. Steyerl, B.G. Yerozolimsky, А.Р. Serebrov, P. Geltenbort et all, The European Physical Journal B, Condensed Matter, Vol.28, Number 3, August 2002, pages: 299 304.

58. P.Hungerfold, T. von Egidy, H.H.ShmidtZ.Phys. et al. A -Atom and Nuclei 313,339 (1983).

59. A.Steyerl, M. Utsuro, N. Achiwa et. al., "Spectroscopy With Stored UCN", Mini-Workshop" UCN Anomalies-where do we stand?", ELL, Nov.25,2000