Введение к работе
Актуальность проблемы. Использование ультрахолодных нейтронов (УХН) в физических экспериментах привлекательно благодаря возможности их длительного удержания в замкнутом объеме — ловушке Так наиболее точное на сегодняшний день значение времени жизни свободного нейтрона и наиболее сильное ограничение на существование электрического дипольного момента нейтрона получены в экспериментах с УХН В различных научных центрах ведутся работы по созданию новых интенсивных источников УХН для развития подобных экспериментов и повышения точности результатов
С момента открытия УХН до сегодняшнего дня практически во всех экспериментах по хранению УХН их потери из ловушек значительно превышают теоретически ожидаемые значения Для ловушек, изготовленных из таких слабо поглощающих материалов, как бериллий и твердый кислород, это превышение составляет ~102, -103 раз соответственно Данная проблема, названная "аномалией в хранении УХН", является одной из самых интригующих в современной нейтронной физике Корректный учет потерь нейтронов из ловушки и возможных изменений спектра УХН в процессе хранения нейтронов во многом определяет систематическую погрешность экспериментов с УХН Например, в измерении времени жизни нейтрона, в котором потери нейтронов при столкновении со стенкой конкурируют с Р-распадом нейтрона, изменение спектра во время хранения приводит к необходимости вводить соответствующие систематические поправки
В 1997 году был обнаружен дополнительный канал потерь УХН из
ловушек, вызванный их рассеянием с увеличением энергии при ударе о
поверхность на величину -10"7 эВ Вероятность такого процесса составляла 108-
10 на один удар и на много порядков превышала теоретически ожидаемую
величину Это явление получило название «малого нагрева УХН» В качестве
механизмов, приводящих к малому изменению энергии УХН, рассматривались
их рассеяние на водородных поверхностных загрязнениях, диффундирующих по
поверхности, рассеяние на тепловых флуктуациях вязкой среды, рассеяние на
поверхностных капиллярных волнах, проявление дополнительной степени
свободы в гравитационном взаимодействии, и отражение от слабо связанных с
поверхностью наночастиц, находящихся в состоянии постоянного теплового
движения Определение механизма изменения энергии нейтрона требовало
дополнительных экспериментальных данных
Интерес к исследованию малого нагрева УХН связан с одной стороны с необходимостью детального знания механизмов потерь УХН из ловушек для использования их в качестве «инструмента» исследований, а с другой стороны, как к новому явлению, которое потенциально может расширить область применения УХН Точное определение данного механизма должно позволить создать условия в будущих экспериментах, при которых дополнительные потери по данному каналу взаимодействия минимизированы и полностью контролируются, что в свою очередь должно привести к уменьшению систематических ошибок в этих экспериментах
Цель работы заключается в экспериментальном изучении неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов с малой передачей энергии (~107эВ) при взаимодействии с поверхностью твердых тел для определения механизма изучаемого явления и влияния его на хранение УХН С этой целью был развит метод экспериментального изучения малого нагрева УХН и опытным путем определены характерные параметры этого явления В качестве характерных параметров наблюдаемого явления определялись вероятность малого нагрева на один удар и зависимость этой вероятности от материала поверхности, ее предварительной обработки и температуры, измерялся спектр «малонагретых» нейтронов и зависимость наблюдаемых изменений этого спектра от начальной энергии УХН
Научная новизна. Впервые реализован метод исследования малых передач энергии ультрахолодным нейтронам со сбором неупруго рассеянных нейтронов, позволяющий экспериментально определять вероятность регистрации нагретых нейтронов
Впервые измерен дифференциальный спектр нейтронов после малого нагрева на поверхности нержавеющей стали
Впервые измерена температурная зависимость малого нагрева УХН на бериллии и меди и нанопорошке
Впервые экспериментально обнаружена сильная зависимость вероятности малого нагрева на нержавеющей стали и меди от температуры предварительного прогрева поверхности
Впервые наблюдался малый нагрев УХН при взаимодействии с алмазными наночастицами
Впервые проведены экспериментальные проверки гипотезы о «водородном» механизме малого нагрева и гипотезы «прилипания» УХН к поверхности
На основании полученных в работе результатов сделан вывод, что единственным процессом, который может объяснить совокупность полученных экспериментальных данных, является рассеяние УХН на свободных частицах (кластерах) размером 10 нм движущихся с их тепловыми скоростями При этом независимо от распределения частиц по размерам, нейтроны рассеиваются наиболее эффективно на наночастицах с размером - X (длина волны УХН), что позволяет однозначно указать наиболее вероятную передачу энергии на один удар ~10'7 эВ при комнатной температуре ловушки
Научная и практическая ценность. Полученные в работе результаты представляют интерес для специалистов в области исследований с УХН, ведущих высокоточные измерения с удержанием УХН, в которых малый нагрев может приводить к существенным систематическим погрешностям Из результатов следует, что необходимо внимательно относиться как к выбору материалов стенок ловушки, так и к процедуре подготовки ловушки Показано, что монокристаллический сапфир является перспективным материалом для ловушки, свободной от процессов малого нагрева на уровне 10"8 на удар
Созданный гравитационный спектрометр, позволяет измерять малый нагрев УХН при взаимодействии с поверхностями в широком диапазоне температур (80-600К) и диапазоне передаваемой энергии от 10 нэВ до 100 нэВ
Развитый метод позволяет получать надежные результаты для значения вероятности малого нагрева на один удар о поверхность и измерять дифференциальные спектры нагретых нейтронов
Обнаруженное неупругое рассеяние УХН на наночастицах открывает
целый ряд новых возможностей по использованию УХН в прикладных
исследованиях Так, например, с помощью УХН в созданной экспериментальной
установке можно изучать динамические свойства наночастиц, слабо связанных с
поверхностью, и наноструктур, что до сегодняшнего дня считалось
невозможным С другой стороны неупругое рассеяние нейтронов на
наночастицах может быть использовано для термализации нейтронов до
сверхнизких температур -0 1К, что дает возможность создания принципиально
нового источника УХН высокой плотности
Автор защищает следующие результаты:
Предложен новый метод исследования малого нагрева и охлаждения УХН — хранение неупруго рассеянных УХН в той же ловушке, что и начальный спектр УХН Метод позволяет измерять среднюю вероятность перехода нейтронов в процессе малого нагрева (а также охлаждения) и спектр нейтронов в конечном состоянии Использование хранительной методики, формирования спектра УХН верхним поглотителем, гравитационной спектрометрии позволяет минимизировать возможные систематические ошибки
Сконструирован гравитационный спектрометр (БГС), который является на сегодняшний день лучшей из существующих экспериментальных установок для изучения процессов малой передачи энергии УХН с точки зрения ширины исследуемого диапазона конечных состояний нейтронов, эффективности сбора нагретых УХН, возможности изменять температуру образца в широком диапазоне (80-550)К
Установлено, что исследованный малый нагрев УХН является одноактным процессом со средним увеличением энергии на -50 нэВ
Установлено, что вероятность малого нагрева УХН на поверхности нержавеющей стали и меди резко зависит от подготовки поверхности (температуры предварительного обезгаживания образцов, обработки реактивами) Максимальная вероятность в нашем случае достигала (4 5±0 3)40* на удар о поверхность
С помощью микроскопа атомных сил установлено, что при температуре, соответствующей резкому росту вероятности малого нагрева на поверхности образцов, образуется наноструктура с характерным размером зерен -10 нм
6 Доказано, что наблюдаемое явление не связано с водородным
' загрязнением поверхности (отсутствует корреляция между вероятностью малого
нагрева Р и полными потерями УХН при отражении)
В измерениях с монокристаллическим сапфиром установлено, что при отсутствии наночастиц на поверхности отсутствует и малый нагрев
Продемонстрировано, что нанесение на поверхность образца порошка наночастиц увеличивает вероятность малого нагрева на несколько порядков величины, причем спектральные и температурные зависимости аналогичны полученным с металлическими образцами
4 /
9 Сделан вывод, что единственным процессом, который может объяснить совокупность полученных экспериментальных данных, является рассеяние УХН на свободных частицах (кластерах) если их размеры составляют -10 нм, движущихся с тепловыми скоростями При этом независимо от распределения частиц по размерам, нейтроны сами "выбирают" наночастицы с размером ~Х, что позволяет однозначно указать наиболее вероятную передачу энергии на один удар ~10"7 эВ при комнатной температуре ловушки
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа содержит 111 страниц, включает 41 рисунок, 8 таблиц, 82 наименования цитируемой литературы
