нейтронная интерферометрия

НЕЙТРОННАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ - раздел нейтронной оптики, методич. основой к-рого является измерение разности фаз интерферирующих нейтронных волн. Нейтронные интерферометры (НИ) - прецизионные приборы, в к-рых осуществляется пространств. разделение исходного пучка нейтронов, как правило, на два когерентных пучка I и II и их последующее совмещение. При этом интенсивность I результирующего пучка связана с разностью фаз Df волновых ф-ций y_I и y_II пучков I и II соотношением:

Из (1) видно, что любое воздействие на нейтрон, приводящее к изменению фазы волновой ф-ции в одном из пучков, может быть зарегистрировано по изменению интенсивности I.

Так же как и в обычной оптике, различают НИ с пространственным и амплитудным делениями волнового фронта (см. Интерферометры). В интерферометрах с пространств. делением волнового фронта исходный пучок с волновым фронтом w делится на 2 фрагмента W₁ и W₂ (рис. 1, а). Интерференц. картину можно регистрировать, измеряя распределение интенсивности в области их суперпозиции. При изменении разности фаз Df между пучками происходит такое перераспределение интенсивности, что интерференц. картина смещается на величину D, пропорциональную Df. Примерами таких НИ являются: бипризменный НИ (аналог интерферометра Френеля) и двухщелевой НИ (аналог интерферометра Юнга). В приборах такого типа необходимо обеспечить высокую степень пространств. ко-герентности освещающего пучка, т. к. интерферируют разл. участки W₁ и W₂ исходного волнового фронта w. Это приводит к необходимости использовать узкую апер-турную щель S, что предопределяет низкую светосилу прибора.

Рис. 1. Схематическое изображение нейтронных интерферометров с пространственным (a) и амплитудным (б) делением волнового фронта.

В интерферометрах с амплитудным делением волнового фронта (рис. 1,б) из исходной волны W с помощью когерентного делителя BS₁ (напр., частично отражающего элемента) получают 2 волны W' и W'' с одинаковыми волновыми фронтами. Эти волны совмещают в устройстве BS₂, обычно подобном BS₁. В результате суперпозиции двух фронтов возникает интерференц. полоса бесконечной ширины. При изменении Df возникает модуляция интенсивности I выходящего пучка.

Рис. 2. Нейтронный интерферометр из монокристалла Si, стрелка указывает направление кристаллографической оси [220].

Большинство НИ предназначено для тепловых нейтронов (длина волны l_n ~ 2 ). Малость l_n приводит к значит. отличиям НИ от оптических. Наиб. широкое распространение получили НИ на совершенных монокристаллах, использующих механизм брэгговской дифракции для когерентного деления пучков (см. Дифракция нейтронов). Примером может служить интерферометр Ш-образной формы (рис. 2), к-рый вырезается из монокристалла (как правило, из Si). Величина пространств. разделения интерферирующих пучков в этих приборах достигает 2 см. Особенностью таких НИ является принципиальное ограничение на l_n - l_n >= d_c, где d_c - постоянная кристаллич. решётки, а их размеры ограничиваются технологией выращивания совершенных монокристаллов.

Переход к НИ больших размеров, способных работать с нейтронами сколь угодно больших l_n, возможен, если использовать в качестве делителя и совместителя дифракц. решётки. Они осуществляют пространств. модуляцию амплитуды или фазы волновой ф-ции нейтрона, что приводит к образованию распространяющихся под разными углами когерентных нейтронных волн (рис. 3). Из-за действия силы тяжести нейтроны двигаются по параболам, а дифракц. решётки должны быть расположены горизонтально.

Рис. 3. Схема нейтронного интерферометра для очень медленных нейтронов; Д₁, Д₂, Д₃, Д₄ - дифракционные решётки.

НИ позволяют чрезвычайно точно измерять нейтронный показатель преломления n образца, помещённого в одно из плеч прибора. Возникающая при этом разность фаз определяется выражением:

где k - волновое число, d - толщина образца. Величина n связана с длиной когерентного рассеяния нейтронов на атомных ядрах (см. Нейтронная оптика, Нейтронография структурная). Измерение длины когерентного рассеяния важно для изучения природы взаимодействия нейтронов с ядрами.

С помощью НИ выполнен ряд опытов, позволивших продемонстрировать справедливость нек-рых выводов квантовой механики: спинорный характер волновой ф-ции фермиона (нейтрона), влияние на интерференцию нейтронных волн неинерциальности системы координат. Проверено на опыте равенство инертной и гравитационной массы нейтрона (эквивалентности принцип)и др.

Лит.: Neutron interferometry, ed. by U. Bonse, H. Rauch, Oxf., 1979; Iоffe I. А., Diffraction-grating neutron, interferometers, "Physica, B + C", 1988, v. 151, . 50.

А. И. Иоффе, А. И. Франк.

   <<      Предметный указатель      >>