ЭЛЕКТРОМАГНИТ ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРИИ РАСПАДА НЕЙТРОНА Российский патент 2005 года по МПК G01T3/00 G21K1/93 

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, в частности к устройствам для магнитной спектрометрии заряженных частиц и изучения распада нейтрона.

Известны предложения и устройства для измерения так называемой Р-нечетной (пространственной) корреляции в распаде поляризованного нейтрона [1]. В этих устройствах с помощью магнитного поля, создаваемого соленоидом, электроны распада, вылетевшие по и против направления спина нейтрона, направляются к детекторам, которые регистрируют скорости счета электронов в зависимости от направления импульса электронов. Затем измеряют скорости счета при изменении поляризации пучка нейтронов относительно поля. Результатом является асимметрия вылета электронов относительно спина распавшихся нейтронов. Недостатком устройств типа соленоида является наличие систематических погрешностей, связанных с неоднородностью поля вдоль оси соленоида, вызывающей эффект магнитного зеркала, искажающий естественную асимметрию распада. В этой ситуации желательно использовать совершенно другую методику, имеющую иные источники систематических ошибок и, конечно, более высокую результирующую точность.

По совокупности использованных признаков наиболее близким к предлагаемому решению является магнит известного трохоидального спектрометра Мальмфорса [2]. Магнит содержит горизонтальную круглую катушку прямоугольного сечения, окруженную снаружи железным ярмом, сопряженным с коническими полюсами, установленными симметрично относительно средней к сечению катушки горизонтальной плоскости симметрии. Зазор между полюсами сужается от внутренней стенки катушки к центру, а стенки зазора выполняют функции вакуумной камеры и формируют рабочую зону для движения позитронов и электронов.

Спектрометр Мальмфорса использовался как времяпролетный спектрометр для анализа спектров электронов и позитронов, рожденных в результате рождения пары вблизи средней плоскости зазора. Источник электронов и позитронов является практически точечным.

Целью предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей при исследования корреляций в распаде поляризованного нейтрона и увеличение светосилы.

Поставленная цель достигается тем, что:

- обмотка электромагнита выполняется в виде двух совокупностей прямоугольных витков, каждая из которых размещена по образующим двух коаксиальных цилиндрических продольно разрезанных полутруб, неразъемно-соединенных по торцам параллельными друг другу пластинами в форме половины диска с отверстием, причем полутрубы и пластины содержат направляющие для крепления витков, кромки полутруб и полудисков совмещены в одной плоскости и соединены сварным соединением с прямоугольным Ф-образным фланцем, имеющим два равных прямоугольных окна, разделенных центральной перемычкой, соответствующей по размерам диаметру и длине центральной полутрубы;

- фланцы снабжены элементами герметизации, расположенными по кромкам прямоугольных окон, и устройством для совмещения и стяжки фланцев.

Устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 показан схематически вид электромагнита с торца и окно для ввода нейтронного пучка, а на фиг.2 показана половина вакуумной камеры и схематически показано расположение витка на торцевой части и внешней полутрубе.

Устройство состоит из двух полукамер, содержащих фланцы 1, к которым приварены вакуумно-прочным швом центральные полутрубы 2 и внешние полутрубы 3, соединенные, в свою очередь, торцевыми полудисками 4. Полукамеры несут на себе элементы крепления витков обмотки 5, между которыми уложены витки 6. Витки симметрично и плотно заполняют объем центральных полутруб, радиально расположены на торцевых полудисках и уложены симметрично вдоль образующей внешней полутрубы, образуя единую обмотку. Полукамеры совмещаются с помощью отверстий и болтовых или других соединений, образуя единый объем вокруг центральной трубы-шины, образованной смыканием центральных полутруб. Вакуумная откачка этого объема и ввод в него нейтронов могут производиться через патрубки, расположенные в окнах в обмотке. Расположение этих патрубков в каждом варианте магнита зависит от его расположения относительно пучка нейтронов. Для использования сверхпроводящих материалов может быть предусмотрено погружение собранной камеры в криостат с жидким гелием или полость для прокачки жидкого гелия под давлением.

Устройство работает следующим образом. Витки изготовлены из единого провода или соединены так, что ток течет по ним в одну сторону в центральных полутрубах и в противоположную сторону на внешних полутрубах. Симметричное расположение внешних участков витков обеспечивает аксиально-симметричное поле типа 1/r между центральной и внешней частями обмотки. При этом внешнее поле очень близко к нулю уже на расстояниях в несколько сантиметров. Решение дает возможность получить поле такой конфигурации в большом объеме, что отличает его от прототипа. Если использовать полный ток порядка 1 Мегаампера, то напряженность поля во всем объеме будет достаточной для транспортировки протонов и электронов от распада нейтронов. При вводе пучка нейтронов через окна в торцевых или боковых стенках камеры вдоль центральной шины или перпендикулярно к ней можно осуществить сбор протонов и электронов от распавшихся при пролете камеры нейтронов и зарегистрировать их с помощью детекторов, расположенных внутри камеры, непосредственно вблизи радиальных торцевых элементов обмотки. Т.е. телесный угол сбора частиц распада из определенной зоны пучка равен 4π, т.е. реализуется максимально возможная светосила. Контролируемая длина пучка определяется длиной камеры и техническими возможностями по намотке магнита. Представляется, что длина около 2 м и диаметр около 0,8 м вполне достижимы с технической точки зрения.

Экономическая эффективность проявляется при сравнении эксплуатационных расходов на проведение экспериментов для достижения заданной точности. Большая светосила и универсальность магнита для исследования трех пространственных корреляций в распаде поляризованного нейтрона дают основания на более высокие значения параметра эффективности Е, которая в данном случае есть Е = точность/затраты. Т.е. увеличение точности (точность есть величина, обратная погрешности в относительных единицах) за счет снижения погрешности обещает более высокий рост, чем относительный рост затрат на создание и эксплуатацию магнита.

Список литературы

1. Dubbers D. et al. Europhys. Lett. 1990, 11(3), 195.

2. Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. Под ред. К.Зигбана. М.: Атомиздат, 1969, т.1, стр.154-158.

Устройство предназначено для анализа корреляций в распаде нейтрона. Техническое решение электромагнита для спектроскопии распада нейтрона реализует токовую конфигурацию, дающую магнитное поле типа 1/R, где R - расстояние по радиусу от оси устройства. Особенностью магнита является безжелезная структура и полное отсутствие поля на расстоянии порядка 25 см и более от его наружной поверхности. Устройство содержит два полых полуцилиндра, которые смыкаются с помощью ф-образных фланцев. Эта возможность достигается использованием в конструкции каждого полуцилиндра двух коаксиальных полутруб, опирающихся своими кромками на посадочные пазы фланцев, содержащих элементы герметизации и центрирования. Преимущества связаны с большой светосилой, универсальностью и точностью измерений. 2 ил.

Электромагнит для спектроскопии распада нейтрона, содержащий обмотку и вакуумную камеру, отличающийся тем, что обмотка электромагнита выполняется в виде совокупностей прямоугольных витков, каждая из которых размещена по образующим двух коаксиально цилиндрических продольно разрезанных полутруб, неразъемно-соединенных по торцам параллельными друг другу пластинами в форме половины диска с отверстием, причем полутрубы и пластины содержат направляющие для крепления витков, кромки полутруб и полудисков совмещены в одной плоскости и соединены сварным соединением с прямоугольным Ф-образным фланцем, имеющим два равных прямоугольных окна, разделенных центральной перемычкой, соответствующей по размерам диаметру и длине центральной полутрубы; фланцы снабжены элементами герметизации, расположенными по кромкам прямоугольных окон, и устройством для совмещения и стяжки фланцев.