Влияние сильных электрических внутрикристаллических полей на дифракцию нейтронов в нецентросимметричных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

г* ^

^ л РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ■ ' л им. Б. П. КОНСТАНТИНОВА

С ^

о 1 ^

» (На правах рукоииси)

УДК 539.125.5

ВОРОНИН Владимир Владимирович

ВЛИЯНИЕ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВНУТРИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ДИФРАКЦИЮ НЕЙТРОНОВ В НЕЦЕНТРОСИММЕТРИЧНЫХ КРИСТАЛЛАХ

01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертащш на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им. В.П. Константинова РАН.

Научный руководитель -

капдидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник В.В. Федоров.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Г.Л. Петров, .

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник А.И. Смирнов.

Ведущая организация - Радиевый институт им. В.Г. Хлонина, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится ""/'3 " Л^рЛАЯ 1995 года в 11 ^"часов на заседании диссертационного совета Д002.71.01 по присуждению ученых степеней в Петербургском институте ядерной физики им. Б.Г1. Константинова РАН по адресу: 188350, г.Гатчина Ленинградской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН. Автореферат разослан " 1(?п /ЖрТЛ 1995г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.А. Митропольский

Актуальность проблемы. Существование внутри кристалла электрических полей с величинами Е ~ (]08 -f Ю10) В/см нз-вестпо достаточно давно. Та« как эти электрические поля па песколько порядков превышают поля, достижимые обычными методами п лабораторных условиях, кажется весьма перспективным попытаться использовать их в эксперименте но поиску электрического дипольного момента (ЭДМ) пейтрона. Для сравнения необходимо добавить, что в наиболее точном па современный момент магпиторсзопанспом методе па ультрахолодных нейтронах (УХН) величина электрического поля ограничена свойствами изолирующих материал лов и составляет Е ~ (1.0 -г 3.5) • 104 В/см. Тамш образом, обнаружение взаимодействия нейтрона с такими большими внутрикристаллическими электрическими полями дает реальную возможность постановки новых, более чувствительных по сравнению с методом УХН, экспериментов по поиску ЭДМ нейтрона. Необходимо добавить, что чувствительность метода к ЭДМ нейтрона определяется произведением Е • т", где т - время пребывания нейтрона п электрическом поле. С этой точки зрения, обнаружение электрических полей при дифракции нейтронов по Лауа (на прохождение) особенно интересно, так как при дифракции по Лауа нейтрон подвергается воздействию внутрикристалли-ческого электрического поля в течение всего времени прохождения через кристалл.

Основная цель работы. Основной целью исследований являлось изучение взаимодействия нейтрона с пкутрижристалли-ческим электрическим полем при динамической дифракщи. по Лауэ п нецептросимметричпом монокристалле, теоретический расчет и экспериментальное измерение величины этого поля. В основу метода измерений, используемого в данной работе, положена зависимость фазы маятниковой картины от ориентации спина нейтрона относительно системы кристаллографических плоскостей за счет швингеровского взаимодействия поляризованных нейтропон.

Научная новизна. В предлагаемой работе произведен теоретический анализ эффектов, возникающих при дифракции нейтронов по Лауэ в пецгитросимметричзгом кристалле. Показано,

что на нейтрон, дифрагирующий в нецентросимметричном кристалле, может действовать виутрикристаллическое электрическое ноле величиной ~ 10е Ч- 109 В/см на протяжении всего времени дифракции. Взаимодействие такого поля с магнитным моментом движущегося нейтрона приводит к изменению фазы маятниковой картины при перевороте спина налетающего нейтрона.

Впервые проведены теоретичеасие расчеты величин электрических полей, действующих на нейтрон при дифракции в нецентросимметричных кристаллах. Показано, что в структуре а-кварца нейтрон при дифракции может подвергаться воздействию электрического поля величиной Ев ^ 2 • 108 В/см.

Впервые удалось экспериментально измерить электрическое поле, действующее на нейтрон при дифракции по Лауэ на плоскости 0-30) а-кварца. Экспериментальное значение электрического поля составило /3("р0) = (2.1 ±0.2)-108 В/см. Эта величина совпадает с теоретически рассчитанной величиной 25(ш) — 2.02 • 108 В/см.

Практическая ценность. Результаты работы дают возможность постановки новых экспериментов, связанных с изучением взаимодействия нейтрона с сильными электрическими нолями. Использование таких полей открывает; реальную перспективу увеличения чувствительности в эксперименте по поиску ЭДМ нейтрона.

На защиту выносятся результаты.

1. Проведен теоретический анализ эффектов, возникающих при дифракции нейтронов по Лауэ в пецснтрссимметричном кристалле. Показано, что на нейтрон, дифрагирующий в нецентросимметричном кристалле; действуют электрические ноля ~ 10® В/см в течение всего времени дифракции. Наличие таких полей приводит к изменению фазы маятниковой картины при перевороте едина падающего нейтрона за счет швингеров-ского взаимодействия.

2. Проведены расчеты величин электрических полей, возникающих в нецентросиммегричной структуре а-кварца. Показано, что в структуре а-кварца нейтрон при дифракции может

подвергаться воздействию внутрикристаллических электрических полей Ед ~ ?• • 10я В/см (для плоскостей (110), (111)).

3. Проведены расчеты и получены величины максимального электрического пнутрикристаллического поля Ef"*-jия следующих кристаллов:

Гермапат висмута Bii2&e02o - ГГЧТ1ЮС ' Ь9 5- 10s В/см

Титапат бария ваТЮй fprrnx _ 9- 10мВ/см

Титапат свинца РЬТЮз д 1S • 10s В/см

Танталат лития ЫТаОз ах „ 14 • 10я В/см

4; Э кспе р им ет ¡т ал ь я о измерена величина эяектрическоги ноля, действующего на нейтрон при дифракции по Лауэ на плоскости (110) нспептрссиммстричяого кристалла а - Ь'Ю-2- Экспериментальное значение составило — (2,1 ± 0,12(0,23)) • 10я В/см, что совпадает с теоретически предсказанной величиной = 2,02- 108 В/см.

" 5. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование зависимости величины сдвига фазы маятниковой картины А'у5 от угла в между вектором поляризации Р и вектором швин-геровсхого магнитного поля /?* = 1 ¡с- [Е,3 х и]. Полученные ¡экспериментальные значения хорошо описываются теоретической кривой (рис.4).

Апробация работы. Основные результаты данной работы докладывались на Международном совещании по фундаментальной физике с медленными нейтронами (Гренобль, 1989г.), на 26 Зимней школе ЛИЯФ (Ленинград, 1991г.), на рабочем совещании но проекту высокопоточного реактора ПИК (Санкт-Петербург, ] ,992г.), на семинарах » отделе нейтронных исследований ПИЯФ им. В.П. Константинова и в институте Гана-Мейтпер (Берлин, 1991г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы (76 страниц, 11 рисунков).

Во введении сделан литературный обзор и кратко изложено основное сп цержаинг работы.

В первой главе рассмотрены теоретические вопросы, связанные с дифракцией нейтронов в нецентросимметричном кристалле.

При падении нейтропа на кристалл в направлении близком к брэггосскому для какой-либо системы плоскостей <?, при дифракции по Лауэ, в кристалле возбуждаются два типа волн и y'¿2\ соответствующих различным ветвям дисперсионной поверхности. Величины волновых векторов для этих двух волн определяются уравнением дисперсионной поверхности:

k¡tX) = А'г - Д ± ^Д' + \US[\ (1)

где А волновой вектор нейтрона с учетом среднего потенциала кристалла (показателя преломления), Д-параметр отклонения от точного брэгговского условия, Д = (к* — к1)/2, кд = к+д, Us = 2mV7/Ü2, где V9 - амплитуда д гармоники периодического потенциала взаимодействия V(f) нейтрона с кристаллом. При точном выполнении условия Брэгга положения максимумов квадратов волновых функций ¡t/>(,'¡2 и оказываются совпадающими с положениями максимума и минимума периодического иотепциала взаимодействия нейтрона с системой плоскостей д.

Наличие интерференции волн различного типа и малое различие волновых, векторов Д/с = \ki — /с2| приводит к периодической зависимости (маятниковая картина) иитенсивпостей прямой и отраженной волн от величины Ф = ДkLt где £.-толвдша кристалла.

Показано, что в случае педентросимметричиого кристалла для некоторых систем плоскостей максимумы ядерного и электрического потенциалов кристалла могут не совпадать (рисД), и нейтроны в состс imrnx xfr^ и ф1оказываются в ненулевых электрических полях противоположного знака:

< >= - < >= fi, = vfgainДФ„ (2)

где ДФ„ — Ф® - Ф^ - сдвиг фазы между ядерным и электрическим потенциалами кристалла, v^ - амплитуда д гармоники электрического потенциала кристалла (VaB = ufe1*?).

}} случае иен гросиммегричного кристалла ДФ9 = 0 и электрический поля, действующие на нейтрон, также — 0.

Рис.1. Положения максимумов квадратов нолповых функций

ф1!) и ф12) относительно у-гармоники ядгрпого V'4 (г) и электрического Уы(г) потенциалов нецел гросиммстричиот

кристалла.

Величина v^ в зависимости от вещества кристалла и системы кристаллографических плоскостей лежит в пределах от долей вольта до десятков вольт. Таким образом, в области максимумов и минимумов ядерного потенциала в нецентросим-метричном кристалле на дифрагирующий нейтроп могут действовать силышс электрические внутрикристаллические поля величиной ~ 1С8 J09 В/см (при g ~ 10ясм-1).

В системе отсчета, связанной с движущимся нейтроном, наличие электрического ноля приводит к возникновению пгакнге-ропского магнитного поля. С учетом взаимодействия магнитного момента нейтрона с этим полем, амплитуда у гармоники поте», .иала взаимодействия становится зависящей от ориентации спина:

.\V„\ = V? - ц(аИ'в), ■ (3)

где = У/с • '[Ец х í'j]] - швкнгеровское магнитное поле, гГц -- скорость нейтрона вдоль кристаллографических плоскостей, Д = fia - магнитный момент нейтрона.

Эта величина и определяет период маятниковых ос.цилляций, который также становится зависящим от ориентации спина.

Другими слонами, наличие дополнительного взаимодействия в (3) приводит к тому, что разность волновых векторов Ак и, соответственно, фаза маятниковой картины Ф начинают зависеть от ориентации спила а относительно Í7*. Если ориентировать спин падающего нейтрона 5 || il*, то разность фаз двух малтиикопых картин при перевороте спина палетающего нейтрона составит:

= (4)

где ¡?n = --3.8 (Д - ¡id = i¿»ijr.*, Un- ядерный магнетон, ¿-спин нейтрона (з = 1 /2)). тр, /' -масса и заряд протона.

Таким образом, из измерений сдвига фазы (4) маятниковой картины при перевороте спина можно получить величину электрического попя, действующего на лиф р аги р у ю ши й пейтрон.

В этой главе также показана возможность исчезновения маятниковой картины при определенной толщине кристалла для случал, когда сни.а нейтрона перпендикулярен швиш'еровскому магнитному полю.

—о—

Таблиц.-«. Результаты расчетов для некоторых систем плоскостей я- кяарца

<ш (У, Л IV, В ____>£_'_1 Дф„, рад 10-' IV см

110 е\ Г г-, 1 Г 1,92 -0,42 -2,03

111 2,230 0,00 -0,99 -2.28

ш 1.818 2,21 -0,037 -0,23

113 1,453 0,94 -2,&7 -1,09

114 1,184 1,28 -2,98 -1,09

1(5 0,989 0,73 0,25 М7

100 4,255 2,14 0 0

120 1,008 0,55 -0,32 -0,67

130 1,180 1,39 0,046 0,34

140 0,929 0,053 -0,83 -0,20

150 0,704 0,24 -0.99 -1Д34_

Физический смысл этого аффекта заключается в следующем: для нейтронов в состояниях ф'^ и у>'2'>, находящихся в противоположных магнитных нолях скины вращаются в ратные стороны л при угле попорота равном тг/2 (т.е. при определенной толщине кристалла) становятся антипараллельпыми, при этом состояния и перестают интерферировать, что и отвечает исчезновению маятниковой картины.

Во второй главе приводятся результаты численных расчетов внутрикристаллических электрических полей для кристалла а-кварца, па котором проводился эксперимент, и для некоторых других нецентросимметричных структур.

Результаты расчетов для некоторых плоскостей а-кварца приведены в -таблице. • Видно, что величина электрического поля Е} меняется н значительных пределах (0 < Е} < 2 • 108 В/см). Исходя из проведенных вычислений, рабочей плоскостью для эксперимента была выбрана плоскость (110), обладающая большим электрическим полем и большой отражающей способностью.

Лля поиска максимально возможных электрических полей, существующих в реальных кристаллах, были проведены расчеты для нескольких пенентрос.имметричпых кристаллов, со-

держащих, атомы тяжелых (элементов. Максимальные величины внутрикристаллических электрических полей, воздействующих на дифрагирующий нейгроа для них составили:

группа симметрии Е™ахВ/см В«1г(7еО»о"Германа'г, висмута /23 5 • 108

/УаТ';'03--титапат бария 4тпт 9 • 108

Р&ТЧ'Оз-титанат свшща 4тт 19-Ю8

[лТа03~тап га лат лития 3 то 14 • 108

Таким образом, в принципе существуют кристаллы, в которых на нейтрон могут действовать внутрикристалличсские электрические ноля, достигающие величин > 10э В/см.

Однако, из-за низкого совершенства, возможность наблюдения динамгческой дифракции нейтронов в этих кристаллах, весьма проблематична.

В третьей главе приводится схема экспериментальной уста- • новки и обсуждаются экспериментально полученные результаты.

Эксперимент проводился на пучке №2 реактора ВВР-М Петербургского института ядерной физики им. В.П. Константинова РАИ.

В эксперименте использовались две монокристаллические пластины а-кварпа толщинами — 0.80см и = 1.13см.

Принципиальная схема установки показана на рис.2. Пучок нейтронов из внутриканальвого поляризующего нейтроповода - 2, расположенного внутри защиты реактора - 1, проходя через ведущее магнитное поле, создаваемое магнитами - 3, попадал на кристалл ~ 5. Катушечный флиппер - 4 использовался для переворота вектора поляризации нейтронов Р. Регистрация нейтронов осуществлялась детектором - 6, состоящим из - счетчика, заключенного в защиту из борированного полиэтилена. Монитор - 7 служил для юстировок установки и контроля за положением и интенсивностью прямого пучка.

Лля получения маятниковой картины снималась зависимость интенсивности цродмфрагировавшего пучка 13 от угла Брэгга &в • Лля этого осуществлялось совместное вращение кристалла и детектора в геометрии 9 — 20.

Для наблюдения маятниковой картины пред:.являются серьезные требования к совершенству кристаллов. Количествен-

1

Рис.2. Схема экспериментальпой установки.

ной характеристикой качества является, так называемая, аффективная мозаичность кристалла и>т. Для наблюдения маятниковой картюил требуется выполнение условия ыт < шв, где шд-собственная ширина отражения. Эффективная мозаичность определялась с помощью т-дифракционпого метода. Для используемых кристаллов и>в составляла ~ 1 угл.сек. и и>т ~ (0.1 .-5- 0.2) угл.сек.

Проведенные измерения можно условно разбить на два этапа. На нервом этане было измерено впутрикристаллическое ноле Ед при ориентации вектора поляризации нейтронов Р вдоль 7?^, то есть, когда сдвиг фазы маятниковой картины за счет швинге-ровского взаимодействия максимален. На рис.3 представлены экспериментальные маятниковые картины для двух ориентаций снина. Рис.З-А соответствует кристаллу с Ь\ = 0.80 см, Рис.З-В - с Ь-г — 1.13 см.

Усредненные по всем измерен, ям величины сдвига фазы Д<р маятниковой картины при перевороте спина для кристаллов 1 и 2 составили:

= (34.3 ± 5,1)°; |Д<Р£?О)1» = (46 ± и)°-

Усредненная по двум кристаллам величина £>(п0) составила: = (1,8 ±0,2). 10е В/см. (5)

На втором втапе эксперимента изучалась зависимость сдвига фазы маятниковой картины от угла © между векторами Р и Н*. Измерения проводились на кристалле толщиной Ьч =1,13 см. Выли измерены значения сдвига фазы при трех ориентация* спина: 0=0° — максимальный ожидаемый аффект, © = 90° — нулевой, 0 = 45° — промежуточный.

На рис.4 изображена зависимость А<р° от угла 9°, сплошная кривая соответствует расчетному зпачешпо электрического поля ^по). В пределах ошибки эксперимента, теоретическая кривая хорошо совпадает с экспериментальными значениями.

Из этих измерений также извлекалась величина электрического ноля £(Т,п) и для исе было получено:

/?(7,рп) = (2,27 ± 0,15) • 108В/см. (6)

С учетом предыдущих измерений усредненное эксперименталь-

1500 (1/2500")

1700 1500

1300

11111111111 п 111111111111111111111111111 п 111111111 п: 111111111111 т 111

1320 1360 1400 1440 1480 1520 1550 1601

N (1/2500") Ш

1300

11С0

III;I)11 I) I I 11 п 11 I 11 11 11IмI)11 г Iп) 111 I I) 11 I и I ) II мII

1200 1250 1300 1350 1400 1450

8в, отн. ед.

Рис.3. Пример экспериментальной маятниковой картшш для двух противоположных ориентаций спила нейтрона. А и В соответствуют = 0.8см и Ь% ~ 1.13см.

Рис.4. Зависимость величины сдвига фазы маятниковой картины Д<р при перевороте слива дифрагирующих нейтропо] от угла 0 между вектором поляризации Р и швингеровским магнитным нолем Щ. Теоретическая кривая соответствует расчетному значению электрического поля £(п0) = 2.02 • 10® В/см.

—IS—

яое значение электрического поля составило;

Я(И0) = (2,1 ± о, 12(0,23)) ■ Ю8В/ckl (7)

Таким образом, мояшо сделать вывод о том, что впервые экспериментально обнаружено влияние внутрикристаллического электрического поля (в данном случае величиной ~ 2-108В/см), па нейтрон при дифракции на недептросимметричном кристалле. Кроме того, что это расширяет наши представления о физике дифракции нейтронов, можно попытаться использовать такие электрические поля в эксперименте по поиску ЭДМ нейтрона. Данная работа завершает первый этап подготовки нового эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона дифракционным методом.

В заключении дана краткая сводка основных результатов данной работы.

В приложении 1 приводятся результаты расчетов впутри-кристаллических электрических полей,действующих па дифрагирующий нейтрон для некоторых нецентросимметричзых кристаллов.

В приложении 2 приводятся положения отдельных атомов в элементарной ячейке для рассматриваемых кристаллов.

Основные результаты исследовании опубликованы в следующих работах:

1. Alexeev V.L., Fcdorov V.V., Lapin E.G., Leushkin E.K., Rumi-antsev V.L., Sumbacv O.I. and Voronia V.V., Measurement, of a strong crystal electric field through the Scbwinger interaction of the diffracted neutron, preprint LNPI-1502, 1989, Leningrad, 14р.

2. Alexeov V.L., Fwlorov V.V., Lapin E.G., Leushkin E.K., Ruini-antsev V.L., Sumbaev O.I. aj)d Voronin V.V., Observation of a strong iuterplanar electric field in a dynamical diffraction of a polarized neutron, Nucl. Instr. and Melh., A284, 181-183, 1989.

3. Алексеев В.Л., Воронин В.В., Лапин Б.Г., Леушкин Е.К., Румянцев В.Л., Сум баев О.И., Федоров В.В., Измерение силь-

ного электрического внутрикристаллического поля в швинге-ровском взаимодействии дифрагирующих нейтронов, ЖЭТФ, 96, 1921-1926, 1989.

4. Алексеев В.Л., Воронин В.В., Лапин Е.Г., Леушкин-Е.К., Румянцев В.Л., Федоров В.В., Влияние ориентации спина нейтрона на дифракцию в нецентросимметричном кристалле, Препринт ЛИЯФ-1608, Ленинград, 1990, 12с.

5. Fedorov V.V., Voronin V.V., Lap in E.G., On the search for neutron EDM using Laue diffraction by a crystal without a centre of symmetry, J. Phye. G: Nud. Part. Phys., 18,1133-1148, 1992.

6. Fedorov V.V., Voronin V.V., Lapin E.G., On the neutron EDM search in the Laue diffraction by the crystal without a. centre of symmetry, preprint LNPI-1644, 1991, Leningrad, 30p.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН Зак.171, тир. 100, уч.-изд.л.0,8; З.Ш.1995г. Бесплатно