Введение к работе
Актуальность проблемы. Теоретические указания на способность нейтронов к хранению впервые появились в работах Я.Б. Зельдовича и В.В. Владимирского. Экспериментальные работы в этом направлении были начатн в 1968 г., когда w.JL Шапиро с сотрудниками удалось получить УХИ, а несколько позднее осуществить их хранение в сосудах. После этих работ исследования с УХН начали стремительно развиваться как а СССР, так и за рубежом.
На начальном этапе интерес к УХИ был связан с появлением новоп инструмента ядерно-физичеоких исследований. Возможность длительного удержания нейтронов позволяла надеяться, что УХИ станут перспективным, средством измерения^ таких фундаментальных характеристик нейтрон как его электрический дклольный момент ( <ДМ), электрический заряд и время жизни. Точное измерение перечисленных величин чрезвычайно актуачьно, поскольку они представляют большой интерес для решения ряда вопросов современной физики. Так, поиск ЭДМ имеет больаюе значение для развития теоретических моделий, описывающих нарушение СР-инвариантности. Обнаружение электрического заряда нейтрона иск- . лючило бы необходимость введения закона сохранения бариокного заряда. Прецизионные измерения Za позволяют о высокой точностью определять отношение -~ - аксиально- векторной и векторной констант связи в гамильтониане слабого взаимодействия. Уточнение данной величины представляет постоянный интерес, поскольку она дает возможность проверять справедливость V- Д варианта теории слабого взаимодействия на все более глубоком уровне. Вместе с тем существующие результаты по измерению Т„ , выполненные традиционными пучковыми методами, согласуются у различных авторов лишь в пределах ( 2+4)? -ной погрешности, что явно недостаточно для потребностей теории.
С целью определения ~ проводились такжо исследования по измэ-> рению коэффициентов угловых корреляций продуктов бета-распада поляризованных нейтронов. Обычно для этого использовались душей теплових или холодных нейтронов. Определенные перспективы в повышении точдоо-тикорреляционных измерений можно было ожидать при переходе па поляризованный газ УШ. Но исключалась также постановка измерений по поиску нейтрон- антинейтронних осцилляции о помощью хранящихся ЛН.
Перспективность перечисленных исследований во многом определялась достилэмой длительностью пробивания С хранения) УШ в измерительных объемах соответствующих экспериментальных установок. Перво- . начальные теоретические оценки времен хранения УХИ в сосудах были довольно оптимистическими. Так, в сосудах из материалов о малыми сечениями захвата и пеупругого рассеяния { бериллий, графит), согласно расчетам, возможно было хранение УШ с характерным временем лишь на ( 1*3)% меньшим Г ~ 900с.
Однако первые же опыты показали, что УШ не удерживаются в сосудах то время, которое предсказывалось теорией. При хранении нейтронов в сосудах из елабопоглощающих материалов времена хранения' рказавались в ( 10 * 100) раз меньше расчетных. Последующие эксперименты, в которых менялись материалы сосудов, способы обработки их поверхности, температурные условия я другие факторы показали, что расхождение между теоретически предсказываемый ж экспериментально наблюдаемыми временами хранения носит систематический характер. Наблюдавшийся эффект свидетельствовал, что при взаимодействии со стенками сосудов, нейтроны испытывают,какое-то дополнительное неупругое взаимодействие с эффективным сечением < 10*20) барн ( при пересчете к энергии тепловых нейтронов). Более того, в ряде работ было обнаружено, что реально получаемые времена хранения практически не зависят от температуры стенок сосудов. Это обстоятельство
не позволяло объяснить донолннївльцую утечку УХЙ кеупругим рассеянием У2Б на поверхностных примесях < например водороде) или другими процессами, связанными <г приобретением УХН энергии, близкой к тепловой. Создавалось впечатление, что причиной эффекта является непреду сматриваемый теорией процесс, который возможно связан не овойот-ваии поверхности сосудов , а оо свойствами самого нейтрона. В дальнейшем проблема дополнительной утечки УХН из сосудов получила широкое обсуждение как проблема " аномальной" утечки УХН и вызвала цели ряд расчетно-теоретических и экспорвмептальных работ по её возможному объяснению.
Это неокидаино возникшее „обстоятельство резко обострило актуальность исследований по хранению нейтронного газа. Существование канала угечкн»нв укладыващегося в теорию, свндетельотвовало, что сложившиеся представления о взаимодействии нейтронов сверхнизких анергий с вещеотво*м либо не оовсем верны, либо недостаточно полны. С практической точки зрения наличие дополнительной утечки сразу затруднило применение УХН в ядерно-физических исследованиях. Наиболее проблематичной стала возможность применения УХН для измерения Т^ . Первоначальная идея этого эксперимента оостояла в том, чтобы реализовать , оосуд УХН, в котором убывание нейтронов со временем почти полностью определялось их бета-распадом. Тогда о точностью до небольшого поглощения в стенках ( 1*2%) время хранения равнялось бы Tfi . Обнаруженный эффект практически исключил возможность измерения Тд в такой постановке.
В сложившейся ситуации существовало два возможных пути решения задача длительного хранения нейтронного газа, однако оба выглядели достаточно проблематично. Первый из них состоял в детальном исследовг нш физики хранения УХН в сосудах с целью выяснения физического механизма дополнительной утечки и возможности подавления данного канала
потерь УЖ Однако при атом не исключалось, что имеющимися в нашем распоряжении техническими средствами подавить дополнительную утечку УХН окажется невозможно даже при полном понимании её физичеокой сущности.
Второй путь состоял в реализации магнитного хранения УХН о помощь» полей специальной конфигурации. Теоретические оценки Владимирского В.В. и других авторов показали, что в некоторых магнитннх системах возможно удержание нейтронов до бета-распада. Однако " экспериментальных работ в этом направлении не проводилось, и поэтому сама принципиальная возможность подобного опособа хранения нейтронов была под вопросом.
Основные пели работы.
В.1972 г. наша группа приступила к систематическим иоследова-' ниям процессов хранения УХН в замкнутых сосудах и магнитных оиоте- мах. Главной целью работы отачо выяснение возможности длительного хранения УХН и использования хранящегося нейтронного газа для намерения Z"fi. Планировавшиеся исследования требовали достаточно высоких плотностей потоков УХН (до ^100 см .о ), которые можно было получить , используя в качестве источника УХН высокопоточный реактор. Кроме того, для обеспечения работ необходимо было развитие методической техники 'экспериментирования о газом УХН, представляющим собой сравнительно новый объект н'ейтронно-физических исследований. Это определило основные цели диссертационной работы, следующим образом:
I. Освоение техники получения УХН на высоконоточном реакторе СМ-2 и создание источников УХН, обеспечивающих плотности получаемых потоков, достаточные как для исследования процессов хранения, так и'измерения Тя на уровне точности ( I* 1,5)%.
-
Разработка методической базы для исследований о УШ, включая изучение процесса распространения УХН по нейтронопроводящим каналам и создание методов измерения параметров потоков УХН.
-
Выяснение возможности хранения-УХН о помощь» магнитных полей.
-
Изучение процесса хранения УШ в замкнутых сосудах для выяснения физического механизма дополнительной утечки УХН, возможности её подавления и создания сосудов, обеспечивающих хранение нейтронов до бета-распада. '
-
Разработка на основе подученных данных Нового метода измерения Vfi с использованием нейтронного газа, хранящегося
в сосудах или магнитных ловушках.
6. Измерение Tfi методом хранения УХН о точностью (I-tl,5)$.
ОСВ9Ш9 реШМАТЦ И положения, Ш9СИШ9 Ни ЭЗДШ,
-
Освоение техники получения УХН на высокопоточном реакторе См-2 методом выведения их из активной зоны горизонтальными нейтроно водами. Создание пяти установок для получения.УХН о плотностью выводимых потоков ( 20+120)см~2.о-1. Построенные установки в комплексе о гравитационным формирователем моноэнергетичеоких нейтронных пучков обеспечили проведение исследований по физике УХН, их хранению и измерению Тр.
-
Экспериментальное исследование закономерностей распространения УХН по нейтронопроводящим каналам и обоснование применимости . теории диффузии для опиоания тока газа УХН в нейтронопроводящих оистемах. Разработка и экспериментальная проверка метода расчета пропускания сложных нейтроноводов о конструктивними элементами, отражающими УХН. V
-
Разработка оригинальных методов и устройств для изучения основных характеристик потоков УХН ( плотности, угловых и энергети- ' ческих распределений). Экспериментальное исследование работы барьерных спектрометров потока УХН, создание магнитного спектрометра потока УХН.
-
Экспериментальное наблюдение эффекта полного отражения УХН от барьера, обусловленного взаимодействием магнитного момента нейтрона о магнитным полем. Проведение экспериментальной оценки ~ вероятности деполяризации УХН в неоднородных магнитных полях, подт- . вердившее возможность хранения УХН в замкнутых магнитных полостях
( ловушках).
5. Разработка и создание, магнитной ловушки для удержания
"9 нейтронов о энергией ( 6-15)*10 эВ. Первые эксперименты по хранению УХН в ловушке (Доказавшие возможность принципиально нового ' способа хранения нейтронов с помощью магнитных полей.
Создание элементарной теории хранения УХН в магнитных "чашах" на оонове полуклассического подхода В.В. Владимирского. Анализ основных каналов потерь УХН в магнитных " чашах" и вывод о возможности удержания нейтронов о характерным временем порядка сотен секунд.
1 6. Предложение нового метода измерения Т* посредством
хранения УХН в магнитных ловушках с одновременной регистрацией
нейтронов, покидающих объем магнитного удержания. »
7. Разработка универсальной методики исследования процесса хранения УХН в сосудах и измерения коэффициентов потерь ф экоп* Результаты измерений / эксп для химически очищенных поверхностей меди, стали, стекла, алюминия, бериллия, свинца, висмута, латуни, цинка. Экспериментальные данные по хранению УХН в отожженнн. и неотожженных сосудах со стенками из сконденсированных металлов ( меди, алюминия, бериллия, цинка, висмута)..Анализ результатов -
проведенных исследований, показавший, что дополнительная утечка УХН из сосудов по крайней мере частично связана о нагревом или захватом УХН на поверхностных примесях отенок сооудов.
8. Результаты измерений полных сечений б^и взаимодействия
нейтронов с Не, их, Og, N2*^2 и воздухом. Оценка влияния
газовых сред на время хранения УХН в сосудах о оотаточннми газа
ми. Верхнее ограничение на среднее изменение Л? энергии УХН
при однократном взаимодействии оо стенками сооудов, обусловленное
,акустическими вибрациями или другими процессами, приводящими к сверхслабому нагреву УХН ( й <7*IC) эВ). Экспериментальная проверка гипотезы ооцилляции нейтрона между скрытыми состояниями как причины дополнительной утечки УХН из оосудов.
9. Эксперименты по хранению УХН в алюминиевых сосудах, для
которых впервые установлено существование температурной зависи
мости вероятности дополнительной утечки УХН. Вывод, что причиной
дополнительной утечки УХН из алюминиевых сооудов является нагрев
( неупругое рассеяние ) нейтронов при взаимодействии их о поверх-' ноотью,который эффективно подавляетоя отхигом сооудов в вакууме и кислороде, а также глубоким охлаждением оооудов. Введение верхнего ограничения на эффективное сечение неупругих процессов, отличных от нагрева УХН, которые могут давать вклад в дополнительную утечку ( <1 барна при тепловой энергии).
10. Разработка методики и создание установки для прямого ис
следования процессов взаимодействия УХН с поверхностью различных
веществ. Исследования процессов взаимодействия УХН о поверх
ностью меди и бериллия, в результате которых установлено, что
причиной дополнительной утечки УХН из медных и бериллиевых сосудов
является нагрев нейтронов до энергий, близких, к тепловой (~25 мэВ
при Т=300К). Обнаружение и. исследование температурной зависимости
вероятности нагрева УХІІ при взаимодействии с поверхностью меда и
бериллия. Введение верхнего ограничения неэффективные сечения
иеупругих процессов, отличных от нагрева, которые .могут давать вк
лад в дополнительную утечку УХН (<1барна для мзда, <1,5 бярна
для бериллия). - '
-
Результаты изучения основных характеристик процесса дополнительного нагрева УХН при взаимодействии о поверхностью меди и бериллия ( эффективные скорости и угловые распределения нагретых УЇН, температурные зависимости вероятности нагрева и энергии нагретых УХН).Анализ полученных данных, показавший-, что наблюдаемый нагрев может бить объяснен наличием на поверхности адсорбированных соединений, содержащих водород и азот,а также существованием в приповерхностных слоях металла растворенного или хемосорбированного водорода о концентрацией ( ~ 15% для меда и ( 4*5)$ для бериллия),
-
Разработка метода подавления дополнительной утечки УХН из сосудов путем низкотемпературной конденсации льда Дг>0 с целью экранировки поверхностного водорода. Результаты эксперимента по хранению УХН в "чистом" сосуде со стенками из льда Д2О, в котором впервые осуществлено хранение УХН до бета-распада ( Z" = 920*400). Практическое решение проблемы дополнительной или " аномальной" утечки УХН из сосудов.
-
Разработка принципиально нового метода измерения Т* , ос-новшшого на хранении газа УХН в сосудах. Теория метода и анализ погрешностей измерений. Создание установки для.измерения ZU
с использованием охлажденных сосудов из алюминия и льда ДоО.'
14. Результат измерений ^, составивший { 900 * П)с, что
соответствует отношению —-— = - 1.260* 0,01.
НРРЦЗНа РабРТН-
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Проведено детальное исследование процесса распространения УХН по нейтронопроводящим каналам и обосновано применение диффузионной теории для описания тока газа УХН в яейтронопроводящих системах. Предложен и экспериментально проверен метод расчета пропускания сложных нейтроноводов с отражающими УХН конструктивными элементами.
-
Впервые экспериментально доказана теоретически предсказанная возможность хранения нейтронов с помощью магнитных полей.- Беостеноч-ное магнитное удержание нейтронов, являющееся аналогом известного явления хранения УХН в замкнутых оосудах, может найти применение как в постановке новых исследований по изучению фундаментальных свойств -нейтрона, так и в практике работы о УХН ( транспортировка, поляризация и фокусировка нейтронов).
-
Выполнен широкий круг исследований по хранению УХН в сосудах и дано объяснение механизма дополнительной или " аномальной" утечки УХН. Полученные результаты представляют собой заметный вклад в физику взаимодействия нейтронов сверхнизких энергий с веществом. Исследования по хранению УХН в сосудах и прямому изучению процессов взаимодействия УХН с поверхностью металлов будут полезными как для дальнейшего развития.теории хранения, так и применения УХН в других областях физических исследований ( физика поверхности, физика тонких пленок, адсорбционные явления и др.). Одним из перспективных направлений использования газа УХН может стать изучение динамики поверхностного водорода и развитие методов активационного анализа поверхностных примесей.
4.( Вяервые подавлением дополнительной утечки доказана возможность хранения УХН в " чистых" сосудах практически до бета-распада. Долученими результат стал подтверждением справедливости теории хранения, ю
УХН в сосудах, основы которой были заложены в работах Я.Б. Зельдовича и'Ф.Л. Шапиро о сотрудниками до обнаружения дополнительной утечки УХН. Найденные способы подавления дополнительной утечки УХН и создания " чистых" оооудов открывают широкие возможности применения УХН как для измерения Т», так и других исследований, требующих длительного хранения нейтронного газа. '
-
Впервые разработан принципиально новый метод измерения Тр1 основанный на хранении УХН в сосудах. При использовании современных интенсивных источников УХН ( ЛИШ, г. Гатчина; ИЛЛ, франция, . Гренобль) метод может обеспечить точность измерений Тд на уровне 0,1$ и даже лучше. Достижение такой точности представляет чрезвычайный интерес в плане постановки полного опыта по изучению бета-распада нейтрона ( например, в связи о проблемой существования правых токов).
-
Впервые выполнены измерения Тд методом хранения УХН о точностью l,Z%. Полученный результат ( 900 * 11с) по уровню точности практически совпадает с наиболее точным результатом, достигнутым пучковым методой ( П.Е. Спивак и др. С 891 * 10)с). Совпадение в пределах 1^-ной погрешности значений ' ^j , полученных принципиально разными способами, существенно повышает обоюдную достоверность примоненых методик. Определенное в диссертационной работе отношеїше
/""* *
— ' * я - 1,260 1 0,01, что хорошо согласуется в рамках \ґ-<4-
&v варианта теории слабого взаимодействия с данными по угловым аорре-
ляциям продуктов бета-распада нейтрона.
Практическая ценность работы.
Практическая ценность работы опредаїяется:
I. Освоением техники получения УХН на высокопоточном реакторе и развитием новых методик исследовании потоков УХН, расширивших
арсенал имеющихся экспериментальных средств работы с УХН.
-
Разработкой метода расчета пропускания сложных яейтрояоводов, который мозет быть обобщен на произвольные нейтронопроводящие устройства.
-
Реализацией хранения УХН в ловушке типа магнитная " чаша" и созданием элементарной теории хранения нейтронов в подобных ловушках. Результаты этих работ будут полезны при проектировании
и разработке магнитных систем, предназначенных для хранения, транспортировки, поляризации и спектрометрии УХН,
-
Разработкой универсального метода изучения процесса хранения УХН в оооудах и измерения fy экоп» позволя***61,0 вести исследования о широким кругом вещеотв и способов обработки их поверхности. Экспериментальными данными по хранению УХН в сосудах из различных материалов, ,газокинетике УХН, влиянию газовых оред и поверхностных адсорбированных соединений на процеосе хранения. Полученные данные представляют интерес для практических работ о использованием хранящегося газа УХН.
-
Объяснением механизма дополнительной утечки УХН в сосудах из алюминия, меди и бериллия ( нагрев УХН) и изучением ооновных характеристик этого процесса. Разработкой прямого метода исследования процессов взаимодействия УХН о поверхностью различных веществ, который может быть эффективно использован для изучения адсорбционных явлений, определения концентрации водорода на поверхности и других задач , выходящих за рамки физики УХН.
-
Практическим решением проблемы дополнительной утечки УХН из сосудов, разработкой способов подавления данного канала потерь
и создания " чистых"оосудов для хранения нейтронов до бета-распада.
7. Разработкой нового метода измерения Т^ и проведением
измерений этой величины с точностью 1,2$.
