ПОЛЯРИЗАТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 1994 года по МПК G21K1/16 

Изобретение относится к нейтронной оптике и может быть использовано для получения поляризованных пучков тепловых и холодных нейтронов, используемых при исследованиях в области ядерной физики и физики твердого тела.

Известен поляризатор тепловых и холодных нейтронов, представляющий собой двуслойное тонкопленочное покрытие, нанесенное на стеклянную подложку. Верхний слой - поляризующее покрытие из сплава 60 Со 40 Fe, намагниченного в плоскости пленки до насыщения, толщиной 1500 . Нижний слой - антиотражающее покрытие (АОП) из сплава 85Ti15Gd толщиной 8000 [1]. При падении на поляризатор немонохроматического пучка нейтронов под углом θ полностью отражаются нейтроны, спин которых ориентирован параллельно вектору магнитной индукции пленки ("+" спиновое состояние), а длина волны λудовлетворяет условию
λ_⊥ >λ+г

_р≃ 580 где =λ/θ ; λ_гр⁺- граничная длина волны пленки для нейтронов "+" спинового состояния.

Нейтроны, спин которых ориентирован антипараллельно вектору магнитной индукции пленки ("-" спиновое состояние), проходят поляризующее покрытие. Незначительная их часть отражается от границы поляризующего покрытия и АОП, остальные поглощаются в АОП.

Этот поляризатор обладает спектральным коэффициентом отражения R⁺(λ_⊥), близким к 1 при λ₁≥ 580 , и высокой поляризующей эффективностью Р (> 0,8) при λ_⊥< 2200 , т.е. он успешно работает в диапазоне λ_⊥ от 580 до 2200 . Однако этот диапазон недостаточен для поляризации пучков с широким спектром. Ограничение спектрального диапазона связано с использованием в АОП Gd, который имеет резонансы в сечении поглощения в тепловой области нейтронного спектра. Кроме того, при использовании тепловых нейтронов с λ ~ 1 приходится направлять их на поляризатор под малым углом θ≃ 1,8 мрад, что приводит к большой длине поляризатора при широких пучках. Использование поляризаторов со стеклянной подложкой в многощелевых изогнутых по окружности системах, используемых для поляризации широких расходящихся пучков, значительно уменьшает пропускание системы, так как стекло сильно поглощает нейтроны.

Известен также поляризатор нейтронов, состоящий из стеклянной подложки, на которую напылено поляризующее покрытие в виде последовательности чередующихся тонкопленочных слоев железа и немагнитного серебра, причем при удалении от подложки толщина пар слоев увеличивается. Самый дальний от подложки слой - слой железа толщиной 750 [2].

При падении нейтронов "+" спинового состояния на первый слой они отражаются от него с
R⁺(λ_⊥)=1, если λ_⊥ > λ+г

_р1
и
R⁺(λ_⊥) = , если λ_⊥≅ λ+г_р1 где λ+г_р1 = 488 - граничная длина волны намагниченного до насыщения слоя железа.

Прошедшие первый слой нейтроны отразятся от границ последующих слоев, толщины которых подобраны так, чтобы разность фаз между отраженными волнами равнялась π /2 (условие четвертьволновости). В результате с уменьшением толщины слоев с учетом рефракции и четвертьволновости получим набор близко расположенных дифракционных максимумов, который вплотную примыкает к краю зеркального отражения, соответствующему λ_гр1⁺, и тем самым область зеркального отражения расширяется до λ_c^*. Удалось понизить λ_c^* до 310 . Для нейтронов "-" спинового состояния величины граничных длин волн железа λ_гр^-= 1022 , серебра λ_гр2 = 952 и стеклянной подложки λ_грs = 909 , поэтому при λ_⊥> λ_грs R^-(λ_⊥)= 1 , т.е. при λ_⊥> 909 отраженный пучок неполяризован. Таким образом, этот поляризатор обеспечивает высокую поляризующую эффективность (Р > 0,8) в диапазоне λ_⊥ от 320 до 750 . Уменьшение нижней границы диапазона зеркального отражения существенно улучшает свойства поляризатора и значительно увеличивает интенсивность 1 отраженного пучка (т. к. I ~ λ^-4 ). Однако одновременно понижается и верхняя граница диапазона λ_⊥ , в котором Р≥0,8. Кроме того, остаются недостатки, обусловленные стеклянной подложкой.

Наиболее близкое к предложенному поляризатор, состоящий из стеклянной полированной подложки, на которую нанесены АОП, представляющее собой последовательность чередующихся слоев Ti и Gd, и поляризующее покрытие на основе пары Co-Ti [3]. Поляризующее покрытие выполнено в виде последовательности чередующихся слоев магнитного Со и немагнитного Ti, толщина которых монотонно уменьшается по направлению к подложке.

Последовательность толщин слоев Ti и Gd выбрана такой, чтобы как мнимая, так и реальная части потенциала взаимодействия нейтрона с АОП V = V_Re + iV_Im менялись плавно, а именно: действительная часть потенциала V_Re нарастала в направлении к подложке от отрицательной величины, равной потенциалу Ti, до положительной величины, равной реальной части потенциала Gd, мнимая часть - от нуля в поляризующем покрытии до величины, равной мнимой части потенциала Gd.

При падении на данный поляризатор нейтронов "+" спинового состояния отражение аналогично второму аналогу и λ*c

≃ 330 . Для нейтронов "-" спинового состояния поляризующее покрытие представляет собой потенциальную яму, так как λ_грCo≃ λ_грTi= i 1271 и нейтрон, в соответствии с квантовой механикой, испытает отражение от ее границ. Коэффициент отражения от АОП намного меньше, чем от стекла, и нейтроны, незначительно отражаясь, проходят через него, но до стекла не доходят, так как поглощаются ядрами Gd. За счет многослойного АОП в этом поляризаторе удалось поднять верхнюю границу спектрального диапазона до 3700 .

Однако отражение нейтронов "-" спинового состояния от границы поляризующего покрытия и АОП ухудшает поляризующую эффективность поляризатора. Кроме того, нанесение поляризующего покрытия осуществляется на АОП, верхняя граница которого имеет большую шероховатость, чем стеклянная подложка, и границы между слоями поляризующего покрытия имеют большие отличия от идеальности, чем на стекле, что приводит к нарушению фазовых соотношений между волнами и уменьшению R(λ_⊥). Особенно это сказывается на самых тонких слоях и соответственно на нижнем краю спектрального диапазона.

Поглощение нейтронов стеклянной подложкой толщиной не менее 0,2 мм ограничивает пропускание многощелевых систем на основе этого поляризатора. На базе поляризатора-прототипа, имеющего стеклянную подложку толщиной d = 0,2 мм, изготавливаются многощелевые поляризующие системы, изогнутые по окружности радиусом изгиба ρ = 10 м, шириной щели а = 1,0 мм, длиной прямой видимости ≈ 300 мм при ширине пучка ≈ 50 мм. Через это устройство проходят нейтроны с λ≥ 3 . Геометрический фактор пропускания такой системы есть
γ = = 83 %
Изобретение позволяет повысить поляризующую эффективность и коэффициент отражения поляризатора, а также повысить пропускание и сделать более компактными многощелевые системы на основе поляризатора. Это достигается за счет того, что в поляризаторе нейтронов, состоящем из полированной подложки, антиотражающего покрытия и поляризующего покрытия в виде чередующихся слоев магнитного и немагнитного материалов, последовательно по ходу падающего пучка расположена подложка, поляризующее покрытие и антиотражающее покрытие, причем подложка выполнена из кремния - материала, прозрачного для нейтронов, а слои поляризующего покрытия выполнены из материала, граничные длины волн которых для нейтронов отрицательного спинового состояния близки к граничной длине волны подложки. Поляризующее покрытие также может быть и однослойным.

При этом антиотражающее покрытие может быть выполнено из материала, у которого реальная часть потенциала взаимодействия с нейтронами близка к потенциалу взаимодействия нейтрона с подложкой и в состав которого входит поглотитель нейтронов, не имеющий резонансов в тепловой области спектра.

Использование прозрачной для нейтронов подложки и таких материалов поляризующего покрытия, у которых граничные длины волн для нейтронов "-" спинового состояния близки к λ_грs подложки, а в идеале равны ей, позволяет сделать поляризующее покрытие неотличимым от подложки для падающих на него со стороны подложки нейтронов "-" спинового состояния, т.е. исключить их отражение от передней границы поляризующего покрытия и тем самым повысить поляризующую эффективность.

Нанесение поляризующего покрытия непосредственно на полированную подложку, поверхность которой значительно более гладкая, чем АОП, позволяет повысить качество границ слоев поляризующего покрытия, а следовательно, и коэффициент отражения.

Использование подложки в качестве среды распространения нейтронов позволяет не только наносить непосредственно на нее поляризующее покрытие, но и сделать гораздо более компактными многощелевые системы на основе поляризатора и повысить их пропускание.

Кроме того, расположенное между подложкой и АОП поляризующее покрытие - наиболее хрупкая и подверженная коррозии часть поляризатора, оказывается защищенной от внешних воздействия.

Изготовление АОП из материала, у которого реальная часть потенциала взаимодействия с нейтроном близка к потенциалу подложки, и отсутствие у поглотителя, входящего в состав АОП, резонансов в тепловой области спектра позволяет значительно увеличить диапазон λ_⊥, в котором поляризующая эффективность высока, за счет уменьшения по спектру отражения нейтронов "-" спинового состояния.

На фиг. 1 изображен предложенный поляризатор и отражение от него пучка нейтронов; на фиг.2 приведены спектральные зависимости коэффициента отражения R(λ_⊥) предложенного поляризатора и прототипа; на фиг.3 и 4 - спектральные поляризационные кривые предложенного поляризатора при разных АОП (расчет и эксперимент), прототипа и аналога.

Поляризатор состоит из полированной подложки 1, выполненной из кремния - материала, прозрачного для нейтронов. На подложку нанесено поляризующее многослойное покрытие 2 в виде последовательности чередующихся слоев магнитного и немагнитного материалов, таких что λ_грs≈λ_гр^-≈λ_гр2, например подложка из кремния, немагнитный слой из алюминия, магнитный из смеси изотопов железа. Толщины пар слоев монотонно возрастают в направлении от подложки. Возможен вариант нанесения поляризующего покрытия: самый большой по толщине слой магнитного материала может быть нанесен первым на подложку. Наносят слои, например, вакуумным напылением или магнетронным распылением. Намагничивание магнитного слоя осуществляют, помещая поляризатор между полюсами магнита. Поляризующее покрытие также может быть и однослойным.

На поляризующее покрытие (ПП) 2 нанесено АОП 3, включающее материал - поглотитель нейтронов, например кадмий или диспрозий. АОП 3 может быть выполнено однослойным, бислойным и многослойным. Однослойное АОП состоит из материала, поглощающего нейтроны. Бислойное АОП представляет собой однослойной АОП и сверху, со стороны вакуума, добавлен слой более сильного поглотителя, чем в однослойном АОП. Многослойное АОП представляет собой последовательность чередующихся слоев двух составов элементов, включая поглотитель. Последовательность может быть периодическая и апериодическая. Для однослойного АОП необходимо так подобрать сочетание материалов, чтобы V_Re нейтрона с АОП была бы близка (равнялась) к V нейтрона с подложкой, например при кремниевой подложке АОП из кадмия, его сплавов, диспрозия или его сплавов. Кроме того, материал - поглотитель не должен иметь в тепловой области нейтронного спектра резонансов в сечении поглощения. Сечение поглощения и толщина слоя однослойного АОП должны быть такими,чтобы получить желаемую зависимость спектральной поляризующей эффективности для данного поляризатора (подробности ниже) и обеспечить необходимую степень ослабления пучка прямо прошедших нейтронов.

Бислойное АОП позволяет уменьшить толщину АОП, сохранив примерно такую же зависимость R(λ_⊥) и такую же степень ослабления пучка прямо прошедших нейтронов, что и однослойное АОП. Действительная часть потенциала слоя сильного поглотителя также должна быть близка к потенциалу подложки, например для АОП из сплава диспрозия и кремниевой подложки слой сильного поглотителя может быть из сплавов кадмия, самого кадмия, сплавов гадолиния или самого гадолиния или сплава его изотопов.

Для периодической последовательности слоев АОП средний потенциал должен равняться требуемое потенциалу однослойного АОП. Эту последовательность можно использовать в случаях, когда по технологическим причинам не удается нанести однослойное АОП требуемого состава, например сплав титана и диспрозия.

Апериодическая последовательность состоит из двух составов: первый - материал, не имеющий поглотителей, потенциал этого слоя равен потенциалу подложки, например сплав 20Ti80Zr для кремниевой подложки; второй - материала, включающий в себя сильный поглотитель, например природный гадолиний, его изотопы или смесь его изотопов. Апериодическая последовательность слоев должна обеспечить плавное изменение как действительной V_Re, так и мнимой V_Im частей потенциала взаимодействия нейтрона с АОП при удалении от ПП, причем V_Re должна меняться от V подложки со стороны ПП до V_Re поглотителя со стороны вакуума, V_Im - от 0 до V_Im поглотителя соответственно. Количество пар слоев в АОП, их толщины и состав слоев определяют исходя из желаемой поляризации по спектру и необходимого уровня ослабления прямо прошедших через АОП нейтронов. Апериодическое АОП в целом аналогично АОП прототипа, оно сложнее указанных АОП в изготовлении, но имеет меньшую толщину.

Поляризатор работает следующим образом.

Неполяризованный немонохроматический пучок нейтронов 4 падает почти перпендикулярно на торец прозрачной для нейтронов подложки 1 и, испытав рефракцию, попадает на поляризующее покрытие 2 под углом θ. Проходя через многослойное поляризующее покрытие 2 нейтроны "+" спинового состояния отражаются от границ слоев и интерферируют между собой, причем от тонких пар слоев отражаются нейтроны с малой λ_⊥ от более толстых пар - с большей λ_⊥,. В результате диапазон зеркального отражения расширен в сторону меньших длин волн.

Нейтроны "-" спинового состояния, проходя через поляризующее покрытие 2, не отражаются от границ его слоев и доходят до АОП 3, от которого отражаются незначительно, а не отразившиеся нейтроны практически полностью поглощаются в нем.

Более подробно рассмотрим работу АОП на примере однослойного покрытия. В этом случае коэффициент отражения:
R_a= где N - число ядер в 1 см³;
K_⊥ = 2π/λ_⊥ - нормальная к поверхности поляризатора компонента волнового вектора;
b₁ - действительная часть длины когерентного рассеяния АОП;
b₂ - мнимая часть длины когерентного рассеяния;
b₂= ;
6 a - сечение поглощения нейтрона АОП;
λ - длина волны нейтрона в падающем пучке.

Для того, чтобы R_a = 0, из формулы следует требование b₁≃ b₂≃ 0. Если подбором элементов АОП можно удовлетворить условию b₁≃ 0 , то b₂ в АОП не может быть равно нулю, так как 6а≠0, поэтому можно лишь минимизировать R_a, уменьшая b₂. Но уменьшить b₂ можно не сильно, так как при слабом поглощении АОП потребуется слишком его большая толщина, поэтому здесь нужен разумный компромисс. Для этого необходимо задаться желаемой зависимостью спектральной поляризующей эффективности Р от λ_⊥
P(λ_⊥) = R⁺(λ_⊥)=1, так как мы рассматриваем зеркальную область, следовательно P(λ_⊥) будет определяться коэффициентом отражения нейтронов "-" спинового состояния от АОП.

Чтобы получить желаемую зависимость P(λ_⊥) необходимо чтобы R^-(λ_⊥)≥ R_d(λ_⊥) где R_d(λ_⊥) - коэффициент отражения "-" компоненты от АОП толщиной d
R_d= где
K₁= ; K₂= 2π
K₃= 2π ; λ₂=
Отсюда можно получить d, при котором будет обеспечена необходимая спектральная поляризующая эффективность.

Если необходимо получить ослабление по спектру нейтронов "-" спинового состояния, прошедших АОП без отражения, в N(λ_⊥) раз, то на величину d накладывается еще одно условие
> exp - λ_⊥d
Рассчитанный с использованием матричного метода коэффициент отражения R⁺ для нейтронов "+ спинового состояния приведен на фиг.2, кривая 5 - для предлагаемого поляризатора, кривая 6 - для прототипа.

Изготовлен и исследован образец поляризатора, в котором в качестве подложки использована полированная пластина кремния (λ_грs= 1230 ) На подложку нанесено поляризующее покрытие в виде 35 пар слоев магнитного (смесь изотопов железа 79Fe^пр21Fe⁵⁴) λ+г

_р1= 506 и немагнитного (алюминий) λ_гр2 = 1231 материалов. Толщины пар слоев растут при удалении от подложки согласно следующему рекуррентному соотношению:
[ d (n) - d (n+1) ] / d (n) =
=d(n)[d(n)/λ_гр⁺]⁴, где d (n) = 0,75 + 0,005 (1-n);
n - номер пары, начиная с самой дальней от подложки;
λ_гр1⁺ = 555 (с поправкой на рефракцию).

Толщины в парах слоев следующие
d = ; d(nAl

⁾=
Самый дальний от подложки слой - слой железа толщиной 750 . На него нанесено АОП толщиной ≈ 30 мкм из кадмия. Такой поляризатор обеспечивает практически полное ослабление потока прямо прошедших нейтронов "-" спинового состояния и поляризующую эффективность выше 80% в диапазоне λ_⊥= 350 - 3000 .

Если вместо кадмия применить АОП в виде сплава, состоящего из 43, 41% Dу и 56,59% его изотопа - Dy¹⁶², то спектральный диапазон λ_⊥, где, Р > 0,8, еще более расширяется: λ_⊥= 340 - 11000 . Толщина АОП в этом случае - 10 мкм, что обеспечивает подавление пучка прямо прошедших нейтронов "-" спинового состояния для λ_⊥= 400 в 38 раз и для λ_⊥= 1000 в 8730 раз. Если использовать здесь бислойное АОП: слой Dy* и слой Cd, то толщину слоя с изотопным Dy* можно уменьшить до 0,6 мкм при толщине Cd 4 мкм и суммарной толщине 4,6 мкм. При этом спектральный диапазон λ_⊥, где Р > 0,8, не изменится, а степень подавления пучка прямо прошедших нейтронов возрастет, так для λ_⊥= 400 ослабление в 3,3˙10⁴ раза, а для λ_⊥= 1000 в 2˙10¹¹ раза.

На фиг. 3 представлены зависимости поляризующей эффективности Р от λ_⊥ (спектральные поляризационные кривые P(λ_⊥) ), где
кривая 7 - для предложенного поляризатора с АОП из кадмия, расчет;
кривая 8 - для предложенного поляризатора с АОП из кадмия, эксперимент;
кривая 9 - для прототипа;
кривая 10 - для второго аналога.

Как видно из чертежа, расчетная Р для АОП из Cd выше во всем рассматриваемом диапазоне λ_⊥, чем Р прототипа. Кривая 8 для экспериментального образца отличается от расчета вследствие недостаточной степени полировки кремниевой пластины, несовершенства технологии напыления слоев поляризующего покрытия и неполной намагниченностью слоев железа. Эти причины устраняются при дальнейшей работе над данным поляризатором.

Если в качестве АОП взять сплав изотопов диспрозия (43Dy^пр57Dу¹⁶²) то P(λ_⊥) для предлагаемого поляризатора будет выше P(λ_⊥) прототипа во всем диапазоне λ_⊥ и высокая P(λ_⊥) будет обеспечена практически для любых используемых на реакторах нейтронных пучков. Это подтверждает фиг.4 где
кривая 11 - расчет P(λ_⊥) для предложенного поляризатора с АОП из Dy*;
кривая 12 - расчет P(λ_⊥) для предложенного поляризатора с АОП из Cd;
кривая 13 - P(λ_⊥) для 2-го аналога;
кривая 14 - P(λ_⊥) для прототипа.

При использовании предложенного поляризатора в многощелевых изогнутых по окружности системах щелью служит кремниевая подложка, а эквивалентом поглощающей нейтроны подложки является АОП. В этом состоит одно из основных преимуществ перед прототипом, так как при этом обеспечивается большее пропускание через систему нейтронного пучка при длине системы в несколько раз меньшей, чем у прототипа.

Два нейтроновода, изогнутых по окружности с разными радиусами изгиба ρ₁ и ρ₂ и разными щелями а₁ и а₂, имеют на выходе одинаковые спектры прошедших нейтронов, если эти нейтроноводы имеют одинаковый параметр θ_* определяемый как
θ_*=
Длина L прямой видимости такого нейтроновода определяется выражением
L =
или
L = следовательно для двух нейтроноводов с одинаковым θ_* справедливо соотношение
= с помощью которого можно сравнить две многощелевые системы, изогнутые по окружности на базе прототипа и на базе предлагаемого поляризатора.

Для прототипа а₁ = 1,0 мм, L₁ = 300 мм, толщина подложки d = 0,2 мм.

Для предлагаемого поляризатора, настроенного на пропускание того же спектра, что и прототип, если взять кремниевую подложку толщиной 0,2 мм (эквивалент а) и толщину АОП 10 мкм (эквивалент -d) то
L₂= L₁ = 60 мм
При этом геометрический фактор пропускания γ для прототипа
γ = = = 83 % для предлагаемого поляризатора
γ = = 95 %
В результате имеем пропускание многощелевой системы на базе предлагаемого поляризатора большее, чем у прототипа, при длине системы в 5 раз меньшей.

Таким образом, предложенный поляризатор характеризуется лучшими, чем прототип, спектральными зависимостями поляризующей эффективности и коэффициента отражения и, кроме того, может служить основой для создания компактных многощелевых систем с высоким пропусканием.

Использование: получение поляризованных пучков тепловых и холодных нейтронов для исследований в области ядерной физики и физики твердого тела. Сущность изобретения: поляризатор состоит из расположенных по ходу падающего нейтронного пучка полированной подложки, поляризующего покрытия и антиотражающего покрытия. При этом подложка выполнена из кремния-материала, прозрачного для нейтронов. Поляризующее покрытие выполнено в виде одного слоя или в виде чередующихся слоев магнитного и немагнитного материалов, граничные длины волн которых для нейтронов отрицательного спинового состояния близки к граничной длине волны подложки. Антиотражающее покрытие предпочтительно выполнять из материала, у которого реальная часть потенциала взаимодействия с нейтроном близка к потенциалу взаимодействия нейтрона с подложкой и в состав которого входит поглотитель нейтронов, не имеющий резонансов в тепловой области спектра. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОЛЯРИЗАТОР НЕЙТРОНОВ, состоящий из полированной подложки, антиотражающего покрытия и поляризующего покрытий, отличающийся тем, что подложка, поляризующее и антиотражающее покрытия расположены последовательно по ходу падающего пучка нейтронов, причем подложка выполнена из кремния, а поляризующее покрытие - из материалов, граничные длины волн которых для нейтронов отрицательного спинового состояни близки к граничной длине волны подложки. 2. Поляризатор по п.1, отличающийся тем, что антиотражающее покрытие выполнено из материала, у которого реальная часть потенциала взаимодействия с нейтроном близка потенциалу взаимодействия нейтрона с подложкой и в состав которого входит поглотитель нейтронов, не имеющий резонансов в тепловой области спектра.