ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ


ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ
ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ

       
совокупность нейтронов, спины s к-рых имеют преимуществ. ориентацию по отношению к к.-л. выделенному направлению в пространстве, обычно направлению магн. поля Н. Т. к. нейтрон обладает спином 1/2, то в поле Н возможны две ориентации спина: параллельно или антипараллельно Я. Нейтронный пучок поляризован, если он содержит разное кол-во нейтронов со спинами, ориентированными вдоль (N+) и против (N-) поля. Степень поляризации:
ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ
Впервые П. н. были получены пропусканием пучка нейтронов через намагниченную до насыщения жел. пластину (амер. физиком Ф. Блохом, 1936, и исследован амер. физиком Д. Юзом с сотрудниками, 1947). Нейтроны с s?Н сильнее рассеиваются и выбывают из пучка. В результате пучок, прошедший через пластину, обогащается нейтронами с антипараллельными спинами. При H=10 000 Э можно получить Рмакс=0,6.
Более эффективен метод, основанный на дифракции нейтронов от определённых плоскостей намагниченных ферромагн, монокристаллов (см. НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА), напр. сплава Со— Fe. Меняя величину намагниченности и семейство отражающих плоскостей кристалла, можно изменять амплитуду когерентного магн. рассеяния нейтронов от 0 до нек-рой макс. величины. Это означает, что для ферромагн. монокристалла можно подобрать такое брэгговское отражение и величину яамагниченности, чтобы яд. и магн. амплитуды рассеяния оказались равными. Тогда для нейтронов со спином, антипараллельным направлению намагниченности, суммарная амплитуда рассеяния равна 0, т. е., под углом Брэгга отразится пучок нейтронов со спинами, параллельными намагниченности. Дифракц. метод позволяет получить монохроматич. пучок П. н. тепловых и резонансных энергий (см. НЕЙТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ) со степенью поляризации до 0,99.
П. н. осуществляют также отражением от ферромагн. зеркал. При определённых условиях полное отражение испытывают нейтроны со спинами, параллельными намагниченности ферромагнетика. Поляризатором нейтронов может служить и неоднородное магн. поле. Пучок нейтронов, проходя через такое поле, расщепляется на два пучка, т. к. на нейтроны с двумя разными ориентациями спинов действуют противоположно направленные силы (см. ШТЕРНА — ГЕРЛАХА ОПЫТ).
Один из методов получения П. н.— рассеяние нейтронов на ориентированных ядрах (Ф. Л. Шапиро с сотрудниками, 1963). Нейтроны пропускают через поляризованную яд. мишень. Амплитуда яд. рассеяния зависит от ориентации спина нейтрона относительно спина ядра. Макс. рассеяние соответствует параллельности спинов нейтрона и ядра, минимальное — антипараллельности. Особенно эффективна мишень, содержащая ориентированные протоны. Т. к. сечение рассеяния медленных нейтронов на протонах не зависит от их энергии, то удаётся получить П. н. в интервале от 10-2 эВ до 104—105 эВ. П. н. с энергией =106 эВ образуются при рассеянии нейтронов на ядрах за счёт спин-орбитального вз-ствия.
П. н. используются в яд. физике как для исследования фундаментальных св-в вз-ствия нуклонов (несохранениё чётности в яд. силах, временная инвариантность яд. вз-ствий, динамика b-распада нейтрона), так и при изучении структуры ядра. В физике тв. тела П. н позволяют исследовать конфигурацию неспаренных эл-нов в магнетиках, измерить магн. моменты отд. компонент в сплавах и т. д.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ

- совокупность нейтронов (пучок), спины к-рых s имеют преимуществ, ориентацию вдоль к.-л. выделенного направления в пространстве (оси квантования), обычно - направления магн. поля Н. Нейтрон обладает спином 4007-197.jpg (в единицах постоянной Планка 4007-198.jpg), поэтому возможны только 2 проекции спина на ось квантования вдоль и против неё. Пучок П. н. характеризуется вектором поляризации Р, к-рый равен удвоенному ср. значению (матем. ожиданию) проекции спина на Н:

4007-199.jpg

Здесь s - Паули матрицы. Степень поляризации пучка нейтронов определяется выражением

4007-200.jpg

где 4007-201.jpg- числа частиц в пучке с проекциями спинов вдоль (+) и против (-) направления поля Н. Если пучок не поляризован, то 4007-202.jpgи Р =0. Для полностью поляризованного пучка нейтронов Р =1. Полностью поляризованный пучок обладает чистым спиновым состоянием; спиновая часть волновой ф-ции такого состояния имеет вид

4007-203.jpg

Здесь 4007-204.jpg- полярные углы, характеризующие направление Р. Проекции Р в сферич. координатах:

4007-205.jpg

Реальные поляризов. пучки не обладают полной поляризацией. Частично поляризованный пучок нейтронов (0 < Р <1) содержит некогерентную примесь др. спинового состояния. Неполяризов. пучок нейтронов ( Р= 0) можно рассматривать как состоящий из 2 полностью поляризованных пучков одинаковой интенсивности с противоположными знаками поляризации, но независимых друг от друга (некогерентных). Спиновое состояние частично поляризованного пучка (смешанное спиновое состояние) описывается не волновой ф-цией (3), а спиновой (поляризац.) матрицей плотности:

4007-206.jpg

Здесь I - единичная матрица. Выражение (5) принимают в качестве строгого определения понятия поляризации пучка нейтронов, эквивалентного (1).

Энергия взаимодействия нейтронов с магн. полем Н:

4007-207.jpg

где 4007-208.jpg- магн. момент нейтрона, 4007-209.jpg - ядерный магнетон,4007-210.jpg= -1,913 - магн. момент нейтрона, выраженный в ядерных магнетонах. Можно показать, что движение спина нейтрона в поле Н (в нерелятивистском случае) описывается ур-нием

4007-211.jpg

Ур-ние (7) допускает классич. трактовку:4007-212.jpg- единичный вектор, направленный вдоль вектора Р. Согласно (7), вектор Р прецессирует вокруг направления Н с ларморовой частотой:

4007-213.jpg

Если напряжённость магн. поля H выражена в эрстедах, то 4007-214.jpg H·рад/с. Компоненты вектора Р описываются выражениями

4007-215.jpg

Решение ур-ния (7) показывает, что спин нейтрона s адиабатически следует за направлением поля Н, если скорость поворота поля H в пространстве (угл . скорость поворота H в системе отсчёта, связанной с нейтроном) 4008-1.jpg Наоборот, если 4008-2.jpgто спин нейтрона "не успевает" следовать за полем и при повороте H на p изменяет свою ориентацию относительно H на противоположную, сохраняя свою ориентацию в пространстве. Такое изменение ориентации спина нейтрона относительно поля H представляет собой неадиабатич. процесс.

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 ядре 4008-3.jpgк-рая не зависит от ориентации спина s нейтронов, если ядра мишени не поляризованы, и магн. амплитуды рассеяния 4008-4.jpg (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 4008-5.jpg+ +4008-6.jpg Знак магн. амплитуды 4008-7.jpg 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 намагниченностиFe, 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 толщиной 4008-8.jpg2 см, намагниченной в направлении прокатки (выделенное направление), можно получить степень поляризации пучка P4008-9.jpg0,4. 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 величиной 4008-10.jpgгде 4008-11.jpg- длина волны нейтронов.

Более высокую степень поляризации (без потери в интенсивности) можно получить, используя железо, обогащённое изотопом 4008-12.jpgНедостаток 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 до 4008-13.jpg100 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: P4008-14.jpg0,98 (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. Если 4008-15.jpgи 4008-16.jpg- ядерная и магн. длины рассеяния нейтронов (длины рассеяния отличаются от амплитуд знаком), то можно показать, что длина магн. рассеяния равна

4008-17.jpg

где 4008-18.jpg- индукция насыщения, Н - намагничивающее поле,4008-19.jpg- 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 4008-20.jpg

4008-21.jpg

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

4008-22.jpg

Если 4008-23.jpgто, 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 4008-24.jpg (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.


4008-25.jpg

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 рассеяния 4008-26.jpgПри 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.


4008-27.jpg


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 4008-28.jpg то анализатор - также зеркало с поляризующими свойствами 4008-29.jpg Это степень поляризации пучка, отраженного от анализатора, если на него падает пучок, вышедший из поляризатора, но деполяризованный. В общем случае 4008-30.jpg

В пространстве между поляризатором p анализатором помещают т. н. флиппер-устройство, в к-ром создаются условия для неадиабатич. спинового перехода 4008-31.jpg_ 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 фольги 4008-32.jpg0,1 мм). Если флиппер выключен, в простран-сгве между поляризатором и анализатором выполняется условие 4008-33.jpg (адиабатичность). Если включается флиппер, то ведущие поля до флиппера и после него имеют противоположные направления. Неадиабатич, переход осуществляется только в самом флиппере. Пусть 4008-34.jpg - вероятность изменения ориентации спина нейтрона на противоположную относительно направления ведущего поля. В адиабатич. областях 4008-35.jpg= 0. В неадиабатич. области 4008-36.jpg0. Полному реверсированию соответствует 4008-37.jpg= 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 (4008-38.jpg= 0), а 4008-39.jpg- скорость счёта при включённом флиппере 4008-41.jpgто имеет место соотношение

4008-42.jpg

Здесь 4008-43.jpg наз. поляризационным отношением.


4008-40.jpg

Рис. 3.


Вместо флиппера можно использовать устройство, к-рое полностью деполяризует пучок нейтронов, в этом случае 4008-44.jpg 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

4008-45.jpg

Зная 4008-46.jpgи пользуясь выражениями (13) или (14), можно найти 4008-47.jpg

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.


Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ" в других словарях:

  • Поляризованные нейтроны —         совокупность нейтронов, Спины которых имеют преимущественную ориентацию по отношению к какому либо выделенному направлению в пространстве, обычно направлению магнитного поля. Т. к. Нейтрон обладает спином 1/2, то в магнитном поле Н… …   Большая советская энциклопедия

  • Нейтроны — быстрые нейтроны нейтроны, кинетическая энергия которых выше некоторого определённого значения, зависящего от области применения; в физике реакторов это значение равно 0,1 МэВ; нейтроны деления мгновенные и запаздывающие нейтроны, образующиеся в… …   Термины атомной энергетики

  • УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ — очень медленные нейтроны со скоростями ?5 м/с. Термин У. н. объясняется тем, что примерно с такой же скоростью двигались бы молекулы газа при темп ре ниже 10 2 К. У. н. обладают малой кинетич. энергией (=10 7 эВ), недостаточной для преодоления… …   Физическая энциклопедия

  • Нейтронная оптика —         раздел нейтронной физики, изучающий ряд явлений, имеющих оптические аналогии и возникающих при взаимодействии нейтронных пучков с веществом или полями (магнитным, гравитационными). Эти явления характерны для медленных нейтронов (См.… …   Большая советская энциклопедия

  • НЕЙТРОНОВОД — канал, по к рому распространяется направленный поток нейтронов. В простейшем случае H. служит прямая вакуумированная труба, окружённая защитой для поглощения нейтронов, выходящих через боковые стенки H. Надтепловые нейтроны (с энергией > 0,1… …   Физическая энциклопедия

  • НЕЙТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ — Действие всех типов Н. и. основано на использовании ядерных реакций, сопровождающихся вылетом нейтронов. Простейшие Н. и. (ампульные) содержат либо спонтанно делящееся ядро (напр., 252Cf), либо однородную смесь порошков Be и a активного нуклида… …   Физическая энциклопедия

  • Нейтрон — (англ. neutron, от лат. neuter ни тот, ни другой; символ n)         нейтральная (не обладающая электрическим зарядом) элементарная частица со спином 1/2 (в единицах постоянной Планка ħ) и массой, незначительно превышающей массу протона. Из… …   Большая советская энциклопедия

  • Ядерные реакции —         превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, γ квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние Ядерные реакции 10 13 см. Энергия… …   Большая советская энциклопедия

  • Стародубцев, Сергей Васильевич — [р. 11(24) окт. 1914] сов. физик, акад. АН Узб. ССР (с 1956). После окончания в 1935 Лен. ун та преподавал в Среднеазиат. ун те (Ташкент), в 1942 57 в Лен. военно воздушной академии. Одновременно (1946 57) работал в Физико технич. ин те АН СССР.… …   Большая биографическая энциклопедия

  • ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ — превращения ат. ядер при вз ствии с ч цами, в т. ч. с g квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение ч ц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние 10 13 см. Энергия налетающих положительно заряж. ч ц должна… …   Физическая энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.