ПОЛЯРИЗАТОР НЕЙТРОНОВ Российский патент 1997 года по МПК G21K1/16 

Изобретение относится к нейтронной оптике и может быть использовано для получения поляризованных пучков тепловых и холодных нейтронов, применяемых 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 Co 40 Fe, намагниченного в плоскости пленки до насыщения, толщиной 1500 . Нижний слой антиотражающее покрытие (АОП) из сплава 85 Ti, 15 Cd толщиной 8000 [1] Средой распространения нейтронов служит вакуум. При падении на поляризатор немонохроматического пучка нейтронов под углом Q полностью отражаются нейтроны, спин которых ориентирован параллельно вектору магнитной индукции пленки ("+" спиновое состояние), а длина волны λ удовлетворяет условию

где λ_⊥= 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 I при и высокой поляризующей эффективностью Р(> 0,8) при , т. е. он успешно работает в диапазоне .

Однако этот диапазон недостаточен для поляризации пучков с широким спектром. Ограничение спектрального диапазона связано с использованием в АОП Сd, который имеет резонансы в сечении поглощения в тепловой области нейтронного спектра. Кроме того, при использовании тепловых нейтронов с приходится направлять их на поляризатор под малым углом θ 1,8 мрад, что неизбежно 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 поглощает нейтроны.

Наиболее близким к изобретению является Fe-Al поляризующее суперзеркало на кремниевой подложке [2] состоящее из расположенных последовательно по ходу падающего пучка слабопоглощающей нейтроны кремниевой подложки с поляризующим покрытием, однослойным или в виде последовательности чередующихся слоев магнитного и немагнитного материалов, и антиотражающим покрытием. В этом типе поляризатора кремниевая подложка сама служит средой для распространения нейтронов. Такое решение увеличивает геометрический фактор пропускания и позволяет существенно уменьшить длину поляризатора по сравнению с теми, где нейтроны распространяются в воздушном (вакуумном) промежутке, ограниченном поляризующими зеркалами на стеклянной подложке. Надлежащим выбором материалов покрытий обеспечена высокая поляризующая эффективность в широком диапазоне длин волн нейтронов (Р≥0,8 при .

В прототипе, "пожертвовав" частичной потерей нейтронов за счет поглощения в кремнии, отказались от вакуумных промежутков. Толщина пластин, собранных в стопку без шайб-разделителей, может быть уменьшена до 0,1 0,2 мм. Изготовлен поляризатор холодных нейтронов сечением 100 мм х 65 мм и длиной 25 мм. Измерения на пучке холодных нейтронов подтвердили его высокую эффективность (Р 0,99), измеренное пропускание поляризованных нейтронов равно 0,5. Прошедший пучок не был уширен.

Однако юстировка кремниевых поляризаторов, собранных в "глухую" стопу - трудоемкая операция, которая ведется на нейтронном пучке и требует затрат реакторного времени. Эта работа не безопасна, так, как правило, проводится в условиях повышенного радиационного фона.

Предлагаемый поляризатор позволяет, сохранив достоинства прототипа, сделать устройство оптически прозрачным и за счет этого существенно облегчить процесс юстировки сэкономить реакторное время и устранить воздействие радиационного фона на персонал.

Это достигается за счет того, что в поляризаторе нейтронов, состоящем из расположенных последовательно по ходу падающего пучка слабопоглощающей нейтроны подложки, поляризующего покрытия и антиотражающего покрытия, подложка с полированным торцами из материала, прозрачного для света, например из кварца. При наличии подложки из оптически прозрачного материала с полированными торцами юстировка относительно оси нейтронного пучка может проводиться по свету в отсутствии нейтронов, например, с использованием луча лазера, который работает в диапазоне видимого света.

В качестве оптически прозрачного и слабопоглощающего нейтроны материала можно выбрать, например, окись магния или кварц. Последний предпочтителен по технологическим соображениям; кварц хорошо режется и полируется, не хрупок, т. е. не ломается при изгибе, что является существенным при изготовлении поляризующих систем, изогнутых по окружности малого радиуса (R Im). Существенно и то, что линейный коэффициент ослабления потока нейтронов в кварце, обусловленный поглощением, почти в 2 раза меньше, чем в кремнии. Так, для нейтронов с длиной волны этот коэффициент равен 2,527•10^-2см^-1 для кварца и 4,75•10^-2 см^-1 для кремния.

На фиг. 1 схематически изображен поляризатор; на фиг. 2 спектральная зависимость отражающей способности поляризатора; на фиг. 3 спектральная зависимость его поляризующей способности.

Поляризатор состоит из одной или нескольких, собранных в стопу полированных оптически прозрачных кварцевых пластин, имеющих форму параллелепипеда. Одна из пластин (они одинаковы) показана на фиг. 1. На пластину-подложку 1 нанесены тонкопленочные поляризующие ( приблизительно 1 мкм) и антиотражающие (5 10 мкм) покрытия. Поляризующее покрытие (ПП) 2 имеет вид последовательности чередующихся слоев из магнитного (1) и немагнитного (2) материалов, удовлетворяющих условию
λ_{гркварца}≃ λ-гр(1)

≃ λ_гр(2)
где, например, (1) Fe, (2) Nb (G-e). Аналогичные покрытия могут быть нанесены и на другую сторону пластины. Толщины пар слоев монотонно возрастают в направлении от подложки (возможен другой вариант ПП: самый толстый слой магнитного материала нанесен на подложку первым). Поляризующее покрытие может быть и однослойным, если по условиям эксперимента λ_⊥ > λ+гр(1). Слои наносят вакуумным напылением или магнетронным распылением. Намагничивание осуществляют, помещая поляризатор между полюсами магнита. Сверху на ПП 2 нанесено антиотражающее покрытие (АОП) 3. Включающее материал-поглотитель нейтронов, например Dy.

Юстировку поляризатора проводят следующим образом. Лазер устанавливают так, чтобы ось его луча совпала с осью нейтронного пучка, когда он открыт. Световой луч через полированные торцы попадает в кварц и, отражаясь от ПП, проходит поляризатор. Поворачивая и смещая поляризатор, добиваются необходимой ориентации зайчика отраженного луча, например, направив его на образец. Нейтронный пучок выйдет из кварца под тем же углом, что и световой луч, если они падают на входной торец под одним углом, несмотря на различие в показателях преломления. Таким образом, юстировка закончена, лазер убирают и поляризатор готов к работе с нейтронами.

Поляризатор работает следующим образом.

Неполяризованный немонохроматический пучок нейтронов 4 (фиг. 1) падает почти перпендикулярно на полированный торец прозрачной для нейтронов и света подложки 1 и, испытав рефракцию, попадает на поляризующее покрытие 2 под углом θ. Проходя многослойное поляризующее покрытие, нейтроны (+)-спинового состояния отражаются от границ слоев и интерферируют между собой, причем от тонких пар когерентно отражаются нейтроны с меньшими длинами волн l_⊥= λ/θ, от более толстых пар с большими λ_⊥, вплоть до λ+гр(1)

. В результате диапазон "зеркального" отражения значительно расширяется в которковоловую область (в этом, собственно, суть любого суперзеркала). Нейтроны (-)-спинового состояния проходят через ПП 2 без отражений (поскольку λ_{гркварца}≃ λ-гр(1)≃ λ_гр(2) ) и попадают в антиотражающее покрытие, от которого отражаются незначительно. Таким образом, (-)-компонента пучка практически полностью поглощается в АОП 3.

На фиг. 2 приведены зависимости коэффициента отражения R⁽⁺⁾ от длины волны нейтронов с учетом поглощения в среде, рассчитанные матричным методом для предлагаемого поляризатора (кривая 1) и для прототипа (кривая 2) при равной длине поляризаторов (10 см). Кривая 1 соответствует поляризующему покрытию из 50 пар чередующихся слоев магнитного (Fe) и немагнитного (Nb) что близко к . Самый дальний от подложки слой железа взят толщиной . На него наносится АОП толщиной 10 мкм из смеси изотопов диспрозия (79%^N Dy 21% ¹⁶²Dy). Реальная часть потенциала АОП подобрана так, что она равна потенциалу кварца, т. е. . Из кривых на фиг. 2 видно, что по спектральному коэффициенту отражения R⁽⁺⁾ предлагаемый поляризатор не уступает прототипу во всем диапазоне длин волн нейтронов. Поляризационная эффективность предлагаемого поляризатора, рассчитанная для индукции железа В 0,9 В_max, столь же высока во всем диапазоне λ_⊥, как и измеренная для пототипа (фиг. 3, кривые 3 и 4 соответственно).

Таким образом, предлагаемый поляризатор действительно сохраняет достоинства прототипа и при этом, сделав устройство оптически прозрачным, позволяет облегчить процесс юстировки, сэкономить реакторное время и устранить воздействие радиационного фона на персонал, так как юстировка может проводиться по свету в отсутствие нейтронов.

Использованная литература
1. Драбкин Г. М. и др. Поляризация нейтронного пучка при отражении от намагниченного зеркала ЖЭТФ. т. 69, вып. 12, с. 1916 1926, 1975.

Syromyatnikow V.G. A al Nucl. Instr. and Meth. A324, p. 401 403 1993.

Использование: получение поляризованных пучков тепловых и холодных нейтронов для исследований в области ядерной физики и физики твердого тела. Сущность изобретения: поляризатор состоит из расположенных последовательно по ходу падающего пучка прозрачной для нейтронов подложки, поляризующего покрытия и антиотражающего покрытия. Подложка выполнена из материала, прозрачного не только для нейтронов, но и для света (например, из кварца), и имеет полированные торцы, что позволяет проводить юстировку поляризатора по свету в отсутствии нейтронного пучка. 3 ил.

Поляризатор нейтронов, состоящий из расположенных последовательно по ходу падающего пучка слабопоглощающей нейтроны подложки поляризующего покрытия и антиотражающего покрытия, отличающийся тем, что подложка выполнена с полированными торцами из прозрачного для света материала, например из кварца.