Экспериментальное изучение неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов (УХН) с малой передачей энергии (∼10-7 эВ) при взаимодействии с поверхностью твердых тел в гравитационном спектрометре

• Автор: Лычагин, Егор Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил.

С ОДЕРЖАНИЕ

Введение
1. Общие положения теории взаимодействия УХН с конденсированными средами
2. Общая постановка экспериментов по удержанию УХН
3. Причины изучения неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов (УХН) с малой передачей энергии при взаимодействии с поверхностью
4. Структура работы
Глава 1. Краткий обзор экспериментов по изучению неупругого канала потерь

1.1. Исследование нагрева УХН в тепловую область и аномалия хранения УХН
1.2. Поиски «малого нагрева»
1.3. Исследования «миллинагрева» !
Глава 2. Метод исследования малого нагрева с использованием гравитационного
спектрометра
2.1. Описание метода
2.2. Принципиальная схема эксперимента, выбор параметров временной
диаграммы
2.3. Расчет вероятности малого нагрева и охлаждения
2.4. Измерение эффективности регистрации ВУХН, измерение спектра УХН и
ВУХН
Глава 3. Экспериментальные установки
3.1. Спектрометр из нержавеющей стали
3.2. Медный спектрометр с фольгой
3.3. Спектрометр с гравитационным барьером — «Большой гравитационный
спектрометр (БГС)»
Глава 4. Результаты измерений в спектрометрах с разделительной фольгой
4.1. Вероятность малого нагрева для различных веществ
4. 2. Малый нагрев и охлаждение на поверхности нержавеющей стали
4. 3. Температурная зависимость малого нагрева
4. 4. Проверка гипотезы «прилипания» УХН к стенкам
Глава 5. Результаты измерений в БГС
5.1. Спектр ВУХН

5.2. Зависимость вероятности малого нагрева от предварительной обработки
поверхности образца
5.3. Проверка гипотезы о водороде на поверхности как причине малого нагрева
5.4 Малый нагрев на монокристаллическом сапфире и алмазном нанопорошке
5.5. Сравнение с результатами других работ
Заключение
Библиографический список использованной литературы
Введение
Данная работа посвящена исследованиям с ультрахолодными нейтронами (УХН). Для определения физических величин, с которыми обычно оперируют экспериментаторы в этой области, ниже приведены основные положения теории взаимодействия УХН с конденсированными средами и общая постановка экспериментов по удержанию УХН. Затем указаны причины проведённых исследований неупругого взаимодействия УХН с поверхностью, приводящему к малой (по сравнению с тепловой энергией поверхности) изменению энергии нейтрона. В конце введения представлена структура работы.
1. Общие положении теории взаимодействия УХН с конденсированными средами
В данном разделе в качестве справки и для определения физических величин, используемых в дальнейшем, приведены общие формулы теории взаимодействия УХН с конденсированными средами и общие выражения, которые обычно используют при анализе результатов экспериментов по хранению УХН.
Теория взаимодействия УХН с конденсированными средами предполагает, что граница раздела среда-вакуум представляет для свободного нейтрона потенциальную ступеньку:
длина когерентного рассеяния нейтрона ядром і, ц,- магнитный момент нейтрона, В — индукция магнитного поля в среде. Далее мы будем опускать магнитную составляющую потенциала.
Выражение (1) можно получить как простым усреднением квазипонтенциала Ферми для рассеяния нейтрона [1], так и в рамках более строгого рассмотрения с привлечением теории многократного рассеяния волн [2].
Далее рассматривается задача об отражении нейтрона, описываемого плоской волной, от потенциальной ступеньки (1) и решается уравнение Шрсдингера пологая, что вещество занимает полупространство (подробное описание решения можно найти, например, в [3]). Коэффициент отражения, получаемый из решения данного уравнения:
и = ~~Г~ X пі КеФ0л )~ЦВ,

(1),
где А - постоянная Планка, тп - масса нейтрона, щ - объёмная плотность ядер вида и ъи

расположен диапазон энергий, в котором нагретые нейтроны хранятся в ловушке достаточно хорошо для того, чтобы их можно было эффективно собирать на детектор.
Формирование начального спектра УХН.
Для формирования спектра УХН используют специальные устройства — спектрометры. Чаще всего в них используется тот факт, что потенциальная энергия нейтрона в поле Земли при изменении высоты на 1 см изменяется на ~1 нэВ. Устанавливая, например, в ловушке поглотитель нейтронов на различную высоту, можно менять верхнюю границу спектра. Обычные материалы для ловушек имеют граничные энергии -200 нэВ. Таким образом, данный способ применим во всём диапазоне энергий УХН, если высота ловушки составляет ~2 м. Другим способом обрезания спектра УХН сверху является пропускание нейтронов через область («проточный режим»), в которой возможны столкновения с материалами, имеющими небольшую граничную энергию. В таком случае разница в коэффициенте потерь для нейтронов с энергией больше граничной энергии и меньше граничной энергии приводит к относительному подавлению потока последних. Проточный способ плох тем, что нейтроны, энергия которых незначительно превышает энергию потенциала вещества, на котором происходит обрезание спектра, имеют ненулевую вероятность отражения от этого потенциала, и эта вероятность тем больше, чем ближе энергия нейтрона к энергии потенциала. Время пребывания этих нейтронов, протекающих через область формирования спектра, конечно, и всегда остаётся доля нейтронов с большими энергиями, испытавших небольшое количество столкновений со стенками и попавших в установку. Для подавления этой компоненты необходимо увеличивать число столкновений нейтронов в области формирования спектра, что обычно достигается развитием внутренней поверхности. При этом распространение подграничных УХН происходит в «накопительном режиме», т.е. плотность нейтронов определяется соотношением их времени хранения в области формирования спектра и времени вытекания из этой области, притом часть нейтронов, вытекающая в отверстие, откуда они пришли, теряется. Таким образом, попытки подавить надграничные нейтроны приводят и к существенному подавлению потока УХН. Учитывая, что для эффективного сбора нагретых нейтронов в предлагаемом методе нейтроны запираются в ловушке, хранительный метод формирования спектра является более эффективным.
В работе [73] проводилось сравнение эффективности способов обрезания спектра сверху при хранении нейтронов в ловушке. Рассматривались поглотитель, расположенный сверху, «гравитационный затвор», то есть ловушка, открытая сверху на определенной высоте