поляризованные нейтроны

Экспериментальные методы. Поляризатор. Впервые П. н. были получены пропусканием тепловых нейтронов через намагниченную до насыщения железную пластину (мишень) в 1936 (Ф. Блох, F. Bloch), однако наиб. интенсивно этот метод использовался в кон. 40-х гг., когда появились ядерные реакторы. В основе метода лежит интерференция ядерного и магн. рассеяний нейтрона (см. Нейтронография ).Зависимость сечения рассеяния нейтронов в магнетике от ориентации спина относительно поля Н определяется т. н. магн. амплитудой рассеяния нейтронов. Полная амплитуда рассеяния нейтронов на атоме складывается из амплитуды рассеяния нейтронов на ядрек-рая не зависит от ориентации спина s нейтронов, если ядра мишени не поляризованы, и магн. амплитуды рассеяния(рассеяния нейтронов на атомных электронах). Последнее имеет место, если атом обладает отличным от 0 магн. моментом, и обусловлено взаимодействием магн. моментов нейтрона и атома. Суммарная амплитуда рассеяния+ + Знак магн. амплитуды зависит от взаимной ориентации магн. моментов (спинов) атома и нейтрона, поэтому полная амплитуда оказывается различной для 2 спиновых компонентов неполяризов. пучка, а следовательно различными являются и сечения рассеяния.

Т. к. сечения взаимодействия нейтронов с атомами мишени заметно отличаются для 2 спиновых состояний нейтронов, то при пропускании пучка через мишень выходящий пучок будет обогащён тем спиновым состоянием, сечение взаимодействия к-рого меньше, т. е. пучок нейтронов окажется частично поляризованным. Сечение взаимодействия нейтронов с атомами Fe больше, когда спины нейтронов параллельны направлению намагниченности Fe, такие нейтроны сильнее выводятся из пучка вследствие рассеяния, и прошедший через пластину пучок становится частично поляризованным в направлении, противоположном Н. Пропуская пучок тепловых нейтронов через пластину холоднокатаной стали толщиной2 см, намагниченной в направлении прокатки (выделенное направление), можно получить степень поляризации пучка P0,4. Использование больших толщин приводит к уменьшению интенсивности и даёт незначит. выигрыш в степени поляризации. Поэтому оптимизировать нужно не только степень поляризации Р, но и интенсивность пучка I, а в ряде случаев и время нахождения нейтрона в области взаимодействия. Точность измерений определяется величинойгде- длина волны нейтронов.

Более высокую степень поляризации (без потери в интенсивности) можно получить, используя железо, обогащённое изотопомНедостаток метода - ограниченность энергетич. диапазона, т. к. в области резонансных нейтронов метод неэффективен. В случае ультрахолодных нейтронов (УХН) в качестве поляризатора можно применять тонкую намагниченную ферро-магн. плёнку. Один из компонентов пучка будет испытывать полное отражение, а второй пройдёт через плёнку (см. Нейтронная оптика).

Для поляризации нейтронов используют также пропускание поляризов. пучка нейтронов через поляри-зов. ядерную мишень (см. Ориентированные ядра). Наиб. эфф. поляризатором является поляризов. водородная мишень (Ф. Л. Шапиро, 1964). При этом можно достигнуть широкого диапазона энергии - от холодных нейтронов до100 кэВ.

Монохроматич. П. н. получают методом дифракции нейтронов на намагниченных ферромагн. монокристаллах. Создавая условия, при к-рых амплитуды ядерного и магн. рассеяний нейтронов равны по абс. величине, суммарную амплитуду рассеяния для одного из компонентов падающего на кристалл пучка нейтронов делают равной 0. В дифракции участвует др. компонент, поэтому дифракц. пучок оказывается практически полностью поляризованным: P0,98 (см. Магнитная нейтронография).

Метод полного отражения. Взаимная компенсация амплитуд ядерного и магн. рассеяний нейтронов лежит также в основе метода получения П. н. путём полного отражения от намагниченных ферромагн. зеркал. Еслии- ядерная и магн. длины рассеяния нейтронов (длины рассеяния отличаются от амплитуд знаком), то можно показать, что длина магн. рассеяния равна

где- индукция насыщения, Н - намагничивающее поле,- энергия нейтронов, l - длина волны нейтронов в вакууме, N - число ядер в единице объёма рассеивателя. Показатель преломления на границе вакуум - вещество зависит от суммарной длины рассеяния

Верхний знак соответствует случаю параллельности направлений Н и спина нейтрона, нижний - антипараллельности. Критич. угол полного отражения нейтронов, падающих на зеркало, равен

Еслито, согласно (11) и (12), полное отражение возможно лишь для одного спинового компонента - отражённый пучок будет поляризован параллельно направлению намагничивания зеркала. Как и в случае дифракции, метод полного отражения позволяет получить высокую степень поляризации пучка нейтронов.

Для транспортировки пучков от нейтронного поляризатора к мишени используют т. н. ведущие магн. поля (магнитопроводы), в к-рых обеспечивают выполнение условия адиабатичности (см. выше). При помощи таких полей можно изменять пространств. ориентацию P без потери степени поляризации Р. Напр., вертикальное направление P можно перевести в горизонтальное или наоборот.

Поляризующий нейтроновод. Метод полного отражения нейтронов используется для создания поляризующих нейтроново-д о в (достаточно сделать поляризующим лишь один участок нейтроновода). Испытывая полное отражение от внутр. стенок нейтроновода, пучок нейтронов транспортируют на большие расстояния от источника нейтронов (ядерного реактора). При полном отражении нейтронная волна проникает внутрь материала стенки на очень небольшое расстояние, ввиду чего поглощение нейтронов сказывается слабо. Потери тепловых нейтронов при транспортировке по зеркальным нейтроноводам составляют ок. 1% на 1 погонный метр, что позволяет изготовлять нейтро-новоды длиной до 100 м.

Однощелевой (одноканальный) поляризующий нейтроновод (рис. 1) отличается от обычного нейтроновода тем, что на отражающую нейтроны стеклянную поверхность 3 методом распыления нанесён слой Со-Fe (сплав). Он легко намагничивается до насыщения и обеспечивает равенство величин магнитной и ядерной амплитуд рассеянияПри этом полное внутр. отражение возможно только для одного спинового компонента. Чтобы уменьшить влияние отражения нейтронов др. спинового состояния от стеклянной основы, на неё нанесён поглощающий подслой. Степень поляризации P достигает 97%.

Рис. 2. Сечение многоканального поляризующего нейтроновода: 3 - пакет тонких зеркал, прижатый прокладками к базовой пластине; И - винт, изгибающий пластину.

Секция многощелевого (многоканального) поляризующего нейтроновода (рис. 2) содержит пакет тонких стеклянных пластин 3, покрытых с обеих сторон слоями смеси Со (60%) и Fe (40%) и разделённых прокладками. Ширина пучка нейтронов а = 3 см. Изгибая нейтроно-вод (винт), можно регулировать граничную длину волны нейтронов, способных испытывать полное отражение от стенок.

Анализатор. Степень поляризации P измеряют, используя анализаторы поляризации. Обычно анализатор устроен аналогично поляризатору. Если поляризатор - намагниченное ферромагн. зеркало со степенью поляризации отражённого пучка то анализатор - также зеркало с поляризующими свойствами Это степень поляризации пучка, отраженного от анализатора, если на него падает пучок, вышедший из поляризатора, но деполяризованный. В общем случае

В пространстве между поляризатором p анализатором помещают т. н. флиппер-устройство, в к-ром создаются условия для неадиабатич. спинового перехода _ при к-ром направление поляризации пучка P реверсируется относительно направления ведущего поля. Таким устройством может служить плоская фольга (А1), через к-рую пропускают ток. Направление магн. поля, создаваемого током, изменяет ориентацию спина на малом расстоянии (на толщине фольги0,1 мм). Если флиппер выключен, в простран-сгве между поляризатором и анализатором выполняется условие (адиабатичность). Если включается флиппер, то ведущие поля до флиппера и после него имеют противоположные направления. Неадиабатич, переход осуществляется только в самом флиппере. Пусть - вероятность изменения ориентации спина нейтрона на противоположную относительно направления ведущего поля. В адиабатич. областях= 0. В неадиабатич. области 0. Полному реверсированию соответствует= 1. За анализатором устанавливается нейтронный детектор, чувствительность к-рого от состояния поляризации не зависит (рис. 3). Если I - скорость счёта детектора, когда флиппер выключен, т.е. изменения ориентации спина нейтронов относительно ведущего поля не происходит (= 0), а- скорость счёта при включённом флипперето имеет место соотношение

Здесь наз. поляризационным отношением.

Рис. 3.

Вместо флиппера можно использовать устройство, к-рое полностью деполяризует пучок нейтронов, в этом случае В качестве деполяризатора обычно применяют ненамагниченную железную фольгу (шим). Неупорядоченность направлений намагниченности доменов в шиме и соответственно направлений спиновой прецессии приводит к полной деполяризации пучка нейтронов при толщине шима 0,1-0,3 мм. В этом случае выполняется соотношение

Знаяи пользуясь выражениями (13) или (14), можно найти

Наиб. точный и при этом абс. метод измерения P основан на эффекте Штерна - Герлаха. Пучок нейтронов пропускают через область с неоднородным магн. полем, в результате чего он расщепляется на 2 пучка, обладающих противоположными направлениями поляризации P (см. Штерна - Герлаха опыт). Отношение интенсивностей этих пучков определяет степень поляризации падающего пучка нейтронов. Такое устройство применяют для создания полностью поляризованных пучков нейтронов, но светосила этого метода невелика, т. к. для полного разведения пучков в пространстве необходимо использовать узкие, сильно кол-лимированные пучки частиц.

Разработаны спец. анализаторы, позволяющие исследовать изменение как степени поляризации пучка нейтронов Р, так и направления его поляризации P после прохождения через образец.

Применение. П. н. используются в ядерной физике для изучения спиновой зависимости нейтронных сечений, измерения амплитуд когерентного и некогерентного рассеяний нейтронов (см. Нейтронография структурная ),а также для исследования таких фундам. проблем, как несохранение пространственной чётности в ядерных реакциях, поиск нарушения временной инвариантности, определение угл. корреляций в бета-распаде свободных нейтронов, поиске электрич. заряда и электрич. дипольного момента нейтрона и т. д. В физике твёрдого тела П. н. позволяют изучать магн. структуры, конфигурации неспаренных электронов (спиновую плотность) в магнетиках (см. Магнитная нейтронография ),измерять магн. моменты отд. компонентов в сплавах, исследовать кинетику фазовых переходов, ядерных релаксац. процессов, миграцию спи- . нового возбуждения, в т. ч. в неупорядоченных спиновых системах, идентифицировать короткоживущие дефекты в кристаллах, исследовать спиновые волны в магнетиках и т. д.

Лит.: Абов Ю. Г., Гулько А. Д., Крупчиц-кий П. А., Поляризованные медленные нейтроны, М., 1966; Кемпфер Ф., Основные положения квантовой механики, [пер. с англ.], М., 1967; Окороков А. И. и др., Определение пространственной ориентации поляризации нейтронов и исследование намагниченности вблизи точки фазового перехода, "ЖЭТФ", 1975, т. 69, в. 2, с. 590; Науter J. В., Polarized neutrons, в сб.: Neutron diffraction, В.- [а.о.], 1978; Ще-бетов А. Ф., Создание и исследование серии поляризующих нейтронов на базе зеркал CoFe с подслоем TiGd, М., 1978 (автореф. дис.); Крупчицкий П. А., Фундаментальные исследования с поляризованными медленными нейтронами, М., 1985. Ю. Г. Абов.

   <<      Предметный указатель      >>