УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ


УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ
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 слабого отталкивания ядрами, и полностью отражаются от поверхности мн. материалов (см. НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА).
Полное отражение У. н. от стенок позволяет хранить их в течение неск. мин внутри замкнутых вакуумированных камер. Время хранения У. н. в замкнутых сосудах ограничено временем жизни свободного нейтрона (до его бета-распада), а также процессами радиационного захвата нейтронов ядрами и неупругого рассеяния нейтронов на ядрах в новерхностном слое толщиной =10-6 см. У. н. могут течь по трубам произвольной формы (нейтроноводам) как разреженный газ. Изогнутые нейтроноводы используются для вывода У. н. из ядерных реакторов и выделения их из потока тепловых нейтронов, в к-ром доля У. н. составляет лишь 10-11. Поэтому реально получаемые плотности У. н. <1 нейтрон/см3. На движение У. н. существенно влияют магн. и гравитац. поля. У. н. могут служить чувствит. инструментом для обнаружения у нейтрона возможного электрич. заряда или электрич. дипольного момента (см. НЕЙТРОН).

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

УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ

- медленные нейтроны со скоростями 5042-17.jpg с кинетич. энергией 5042-18.jpg эВ (см. Нейтронная физика). Характерной особенностью У. н. является их способность к полному отражению от поверхности мн. материалов при любых углах падения (см. Нейтронная оптика). Полное отражение У. н. от стенок позволяет хранить их в течение неск. минут внутри замкнутых вакуумированных камер в виде своеобразного нейтронного газа. Термин "У. н." объясняется тем, что примерно такой же энергией обладают молекулы газа при темп-ре T~10-3 К.

5042-19.jpg

Рис. 1. Эффективный потенциал (заимодействия ультра холодных нейтронов со средой.

Эффективный потенциал. Все специфич. свойства У. н. могут быть объяснены с помощью т. н. эффективного (или оптич.) потенциала U эфф. Этот потенциал можно трактовать как среднее по всему занимаемому средой объёму значение реального потенциала нейтрон-ядерного взаимодействия (рис. 1). В физике медленных нейтронов в качестве потенциала нейтрон-ядерного взаимодействия используется точечный к в а з и п о т е н ц и а л Ф е р м и:

5042-20.jpg

где т - масса нейтрона, 5042-21.jpg - дельта-функция, r0 - радиус-вектор ядра, а множитель b, называемый к ог е р е н т н о й д л и н о й р а с с е я н и я на связанном ядре, определяется экспериментально из сечения рассеяния sp медленных нейтронов на данных ядрах согласно соотношению

5042-22.jpg

Для среды с плотностью ядер N усреднение квазипотенциала Ферми по объёму даёт простое выражение для эфф. потенциала:

5042-23.jpg

Основанием для введения такого усреднённого потенциала можно считать тот факт, что нейтроны с длиной волны де Бройляl, превышающей межатомные расстояния, взаимодействуют сразу с большим кол-вом ядер и не ощущают дискретности среды.

Для большинства ядер b>0 и соответственно положителен их эфф. потенциал U эфф. Чтобы проникнуть из вакуума внутрь среды, нейтроны должны преодолеть отталкивающее действие этого потенциала. Если энергия нейтронов

5042-24.jpg то они не могут пройти из

вакуума в среду и полностью отражаются при любых углах падения 5042-25.jpg гр и u гр - т. н. граничные энергия и скорость У. н. для данного материала). Эфф. потенциал U эфф обусловлен чисто ядерными силами и связан с сильным взаимодействием, обычно характеризующимся энергиями в десятки МэВ. Однако из-за короткодействия ядерных сил и малого объёма, занимаемого ядрами в обычном веществе, величина U эфф, играющая роль работы выхода при переходе нейтрона из вакуума внутрь среды, оказывается крайне малой (~10-7 эВ). В табл. приведены значения эфф. потенциалов для ряда материалов. Небольшое кол-во веществ имеет отрицат. эфф. потенциал. При падении из вакуума У. н. частично отражаются от притягивающего потенциала этих веществ и частично проникают внутрь материала, где двигаются с большей скоростью:

5042-26.jpg

(uи u ср - скорости нейтрона в вакууме и среде).

Эфф. потенциал связан с показателем преломления n нейтронной волны в веществе соотношением

5042-27.jpg

Оба способа описания взаимодействия нейтронов со средой- через эфф. потенциал или с помощью показателя преломления нейтронной волны - эквивалентны. Так, полное отражение У. н. при 5042-28.jpg аналогично отражению света от металлич. зеркала (показатель преломления мнимый). Практически, однако, поведение У. н. удобнее рассматривать, решая Шрёдингера уравнение с потенциалом U эфф(r), учитывая также часто существенные для столь медленных нейтронов потенциалы гравитационного 5042-29.jpg (z - высота) и магнитного 5042-30.jpg 5042-31.jpg- магн. момент нейтрона, В- магн. индукция) полей. В частности, У. н. в гравитац. поле не могут преодолеть перепад высот >2 м.

Конечная величина U эфф приводит к тому, что отражение У. н. сопровождается их частичным проникновением в среду на глубину

5042-32.jpg

Находясь внутри материала, У. н. могут либо быть захвачены ядрами, либо приобрести дополнит. энергию порядка 5042-33.jpg за счёт процессов неупругого рассеяния нейтронов на фононах. Возникающие при этих процессах потери нейтронов описываются добавлением к эфф. потенциалу малой мнимой части, к-рую принято выражать безразмерным параметром (см. табл.)

5042-34.jpg

Эффективные потенциалы, граничные скорости и де-бройлевские длины волн [l А = h/(mv гр)] для некоторых материалов

5042-35.jpg

В силу оптической теоремы мнимая часть длины рассеяния

5042-36.jpg

где s полн- полное сечение взаимодействия нейтронов с материалом. При малых скоростях нейтронов доминирующими процессами являются захват и неупругое рассеяние нейтронов, сечения к-рых следуют т. <н. з а к о н у 1/u. Поэтому параметр h не зависит от скорости У. н. и для большинства материалов равен 10-4-10-5. Вероятность поглощения или нагрева У. н. при однократном отражении от поверхности материала 5042-37.jpghu/u гр, т. <е. до своего исчезновения У. н. могут испытать более 105 столкновений со стенкой (границей).

Получение У. н. осуществляют путем выделения медленной компоненты максвелловского спектра тепловых нейтронов, выходящих из замедлителя ядерного реактора. В таком спектре поток У. н. с энергией 5042-38.jpg составляет

5042-39.jpg

Здесь F -полный поток нейтронов из замедлителя, T- установившаяся в замедлителе темп-pa нейтронного газа. При T= 300 К и 5042-40.jpg = 1,7 · 10-7 эВ (для меди) Ф = 0,6.10-11 Ф, т. <е. У. н. составляют крайне малую часть полного потока нейтронов из реактора. Впервые У. н. были выделены Ф. Л. Шапиро в 1968 т. н. методом времени пролёта на импульсном реакторе.

При полном потоке нейтронов Ф=1014 нейтрон/см 2·с, характерном для обычного исследовательского ядерного реактора, поток У. н. составит 600 нейтрон/см 2·с, а их плотность в установленной рядом с замедлителем ловушке r= 16Ф ун/3u=0,54 нейтрон/см 3. В медной ловушке объёмом ~ 1 л может быть накоплено ок. 500 нейтронов, после чего ловушку можно вынуть из реактора и зарегистрировать накопленные нейтроны в низкофоновом помещении. Такой способ получения У. н. носит демонстрац. характер и при своей реализации наталкивается на техн. трудности, связанные с созданием механич. затворов и высокой активацией ловушки вблизи активной зоны реактора.

5042-41.jpg

Рис. 2. Получение ультрахолодных нейтронов (горизонтальные каналы): 1-активная зона реактора; 2-конвертор внутри нейтроновода 3; 4 - изогнутые участки нейтроновода; 5 - детектор нейтронов; 6-защита. Внизу показано расположение кон вертора в нейтроноводе.

Более простой способ извлечения У. <н. из реактора - их вывод от замедлителя за биол. защиту реактора по изогнутому вакуумированному нейтроноводу (рис. 2). В нач. части нейтроновода устанавливается дополнит. замедлитель-конвертор У. н., назначение к-рого состоит в регенерации У. <н. из тепловых нейтронов, облучающих конвертор, поскольку непосредственно из внеш. осн. замедлителя внутрь герметичного нейтроновода У. н. пройти не могут. Для регенерации У. н. необходим конвертор из материала с 5042-42.jpg и толщиной порядка длины свободного пробега У. н. в материале конвертора:

5042-43.jpg

где N- плотность ядер в конверторе. Для водородосодер-жащих веществ 5042-44.jpg Поэтому конвертор представляет собой пластину толщиной ~ 1 мм. Небольшие размеры конвертора позволяют охлаждать его до азотной (77 К) или даже гелиевой (4,2 К) темп-ры, тем самым увеличивая выход У. н. в десятки раз. Выбор материала для конвертора представляет особую задачу, поскольку этот материал должен удовлетворять ряду требований: иметь малый эфф. потенциал, низкое сечение захвата нейтронов, высокую радиационную стойкость материалов. Хорошими материалами для конверторов являются гидрид Zr, тяжёлый лёд, а также жидкие водород и дейтерий.

Изогнутая форма нейтроновода, изготовляемого из электрополированных медных или нержавеющих стальных труб диам. ~ 100 мм, позволяет отфильтровывать У. <н. от высокого фона быстрых и тепловых нейтронов реактора. Необходимый вакуум в нейтроноводе составляет 10-4 мм рт. ст. Можно получить нейтроновод с пропусканием нейтронов 10-30% при полной длине ~10 м. Хорошо полированные нейтроноводы с высокой зеркальностью (0,99) необходимы для вертикальных или наклонных каналов У. н., в к-рых используется частичное замедление нейтронов гравитац. полем или замедление очень холодных нейтронов (со скоростями 50-100 м/с) спец. механич. системами (турбинами).

Время хранения У. <н. в замкнутых сосудах ограничено временем жизни свободного нейтрона до b-распада 5042-45.jpg с; см. Бета-распад нейтрона), а также процессами радиационного захвата и неупругого рассеяния нейтронов при отражении от стенок сосуда. Практически в сосуде объёмом 50 л можно накопить 105 нейтронов и получить время хранения ~500-800 с.

5042-46.jpg

Рис. 3. Схема эксперимента по поиску электрического дипольного момента нейтрона: 1-клапаны впуска и выпуска нейтронов; 2 - поляризатор; 3 - контур спинового ротатора; 4-камера хранения; 5-детектор.

У. <н. используются для исследования ряда характеристик свободного нейтрона: времени жизни до b-распада, измерения корреляций при распаде нейтрона, поиска элек-трич. дипольного момента и возможного электрич. заряда нейтрона. На рис. 3 приведена схема установки для поиска электрич. дипольного момента нейтрона. У. н. последовательно проходят через поляризатор (см. Поляризованные нейтроны), радиочастотный спиновый ротатор, поворачивающий спины нейтронов на 90o, и попадают в камеру хранения, где прецессируют с ларморовской частотой 5042-47.jpg в приложенном магн. поле Н(m- магн. момент нейтрона). Параллельно магн. полю накладывается и электрич. поле E. При наличии у нейтрона электрич. дипольного момента de частота прецессии должна измениться на величину 5042-48.jpg в зависимости от знака приложенного электрич. поля. За время T хранения нейтронов в камере дополнит. фазовый сдвиг угла прецессии составит 5042-49.jpg Выходя из камеры, нейтроны снова проходят через спиновый ротатор и поляризатор, после чего регистрируются детектором. Кол-во зарегистрированных нейтронов зависит от величины фазового сдвига dj и будет максимальным при совпадении частоты спинового ротатора с частотой прецессии нейтронов в камере. Точность определения частоты прецессии обратно пропорциональна времени пребывания нейтронов в камере, к-рое для У. <н. может достигать времени жизни нейтрона до бета-распада. Полученный с помощью У. н. верх. предел возможного дипольного момента нейтрона составляет 5042-50.jpg ( е - заряд электрона). Др. областями применения У. <н. являются изучение свойств поверхностей разл. материалов, а также создание нейтронного микроскопа (см. Нейтронная оптика).

Лит.: Шапиро Ф. Л., Собрание трудов, [кн. 2]. Нейтронные исследования, M., 1976; Игнатович В. К., Физика ультрахолодных нейтронов, M., 1986. В. И. Лущиков.

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


.

Смотреть что такое "УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ" в других словарях:

  • УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ — нейтроны с энергией меньше 10 7 эВ …   Большой Энциклопедический словарь

  • ультрахолодные нейтроны — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN ultracold neutronsUCN …   Справочник технического переводчика

  • Ультрахолодные нейтроны —         очень Медленные нейтроны, со скоростями £ 5 м/сек. Термин «У. н.» объясняется тем, что примерно с такой же скоростью двигались бы молекулы газа при температуре ниже 10 2 К. У. н. обладают малой кинетической энергией (порядка 10 7 эв),… …   Большая советская энциклопедия

  • ультрахолодные нейтроны — нейтроны с энергией меньше 10 7 эВ. * * * УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ, нейтроны с энергией меньше 10 7 эВ …   Энциклопедический словарь

  • УЛЬТРАХОЛОДНЫЕ НЕЙТРОНЫ — нейтроны с энергией меньше 10 7эВ …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • 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

  • Медленные нейтроны —         нейтроны с кинетической энергией до 100 кэв. Различают ультрахолодные нейтроны (0 10 7 эв), холодные нейтроны (10 7 5․10 3 эв), тепловые нейтроны (5․10 3 0,5 эв), резонансные нейтроны (0,5 эв 10 кэв) и промежуточные нейтроны (10 100 кэв) …   Большая советская энциклопедия

  • НЕЙТРОННАЯ ФИЗИКА — совокупность исследований строения в ва с помощью нейтронов, а также исследования св в и структуры самих нейтронов (времени жизни, магн. момента и др.). Отсутствие у нейтрона электрич. заряда приводит к тому, что они в осн. взаимодействуют… …   Физическая энциклопедия

  • Нейтронная физика — Нейтронная физика  раздел физики элементарных частиц, занимающийся исследованием нейтронов, их свойств и структуры (времени жизни, магнитного момента и др.), методов получения, а также возможностями использования в прикладных и научно… …   Википедия

  • 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


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.