СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ НЕЙТРОННЫЙ СПИН-ФЛИППЕР Советский патент 1994 года по МПК G01T1/30 

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике и может быть использовано в исследованиях с поляризованными нейтронами (ядерная прецессия нейтронов, несохранение четности, исследование магнитных структур и т. д. ), где необходима неадиабатичность пролета спина нейтронов через магнитные поля разных направлений (реверс вектора поляризации нейтронов относительно магнитного поля).

Цель изобретения - обеспечение любого заданного направления спина нейтронов.

На фиг. 1 приведена схема сверхпроводящего спин-флиппера; на фиг. 2 - кривая зависимости эффективности переворота сверхпроводящего флиппера от напряженности магнитного поля между доньями сверхпроводящих стаканов.

Сверхпроводящий спин-флиппер представляет собой два сверхпроводящих стакана 1 и 2, помещенные в сверхпроводящий магнитный диполь 3, предназначенный для создания однородного магнитного поля, перпендикулярного первоначальному направлению спина нейтронов. Анализатор 4 спина нейтронов, установленный после сверхпроводящего флиппера, предназначен для анализа поляризации нейтронов. Установленный после анализатора детектор 5 нейтронов предназначен для регистрации числа нейтронов. Перед сверхпроводящим флиппером установлен флиппер 6 Мезея, осуществляющий реверс спина нейтронов.

Работа предлагаемого устройства основана на следующем. Согласно эффекту Майснера, когда сверхпроводник охлаждается в постоянном магнитном поле до температуры ниже критической Т_с, магнитный поток выталкивается из него и металл становится идеальным диамагнетиком. Следовательно, магнитная индукция внутри металла в сверхпроводящем состоянии всегда равна нулю, независимо от того, каким образом он был переведен в это состояние. Выталкивание магнитных силовых линий из сверхпроводника связано с тем, что если сверхпроводник помещают во внешнее магнитное поле, то в поверхностном слое металла возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю, что в результате приводит к нулевому значению индукции в толще сверхпроводника. Проникновение внешнего магнитного поля внутрь сверхпроводника имеет экспоненциальный характер затухания и характеризуется глубиной проникновения λ, которая для свинца ≈5˙10^-6 см при Т = 4,2 К.

Если на пути поляризованного нейтронного пучка поместить (перпендикулярно направлению нейтронного пучка) экран из сверхпроводника 1 рода, то магнитные силовые линии будут проникать только на глубину ≈5 ˙10^-6 см и этим будет осуществлено условие неадиабатичности:
ω_L<< ω_о где ω_L- частота ларморовой прецессии в поле Н, а ω_о- частота поворота вектора магнитного поля Н. При осуществлении условий неадиабатичности нейтрон, проходя через экран, сохранит направление своего спина, при наличии за экраном магнитного поля любого направления, отличного от направления спина нейтрона до экрана.

В случае, если за сверхпроводящим экраном магнитное поле перпендикулярно направлению спина нейтрона, то в этом поле спин нейтрона начнет прецессировать с определенной частотой и, в зависимости от величины поля Н, на расстоянии l повернется на определенный угол.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Пучок поляризованных нейтронов выходя из флиппера 6 Мезея, входит в сверхпроводящий стакан 1 сверхпроводящего флиппера, и, сохраняя в нем направление спина, выходит через его дно со спином, перпендикулярным направлению магнитного поля сверхпроводящего диполя, существующее между доньями сверхпроводящих стаканов 1 и 2.

В дальнейшем на расстоянии l между доньями стаканов 1 и 2 спины нейтронов будут прецессировать вокруг направления поля диполя с частотой
ω_L=γ_n H (1) где γ_n= 1,84˙10⁴ с^-1 Э^-1 - гиромагнитное отношение для нейтрона, Н - магнитное поле диполя.

Прецессируя с частотой ω, спин нейтрона на расстоянии повернется на угол
ϕ = ωt = = ,
(2) где V - скорость нейтрона; и нейтроны дойдут до второго стакана 2 со спинами, повернутыми на угол ϕ. Если и стакан 2 находится в сверхпроводящем состоянии, то во время движения внутри стакана нейтрон сохранит направление спина, с которым он вошел в стакан 2 и с таким направлением дойдет до анализатора нейтронов 4. Так как анализатор 4 пропускает нейтроны со спинами, направленными вдоль его намагничивания, и не пропускает нейтроны с противоположными спинами, на детекторе нейтронов 5 число нейтронов будет меняться от максимального значения до минимального, в зависимости от угла ϕ, по закону . Расстояние l между доньями свинцовых стаканов 1 и 2 фиксировано и изменение величины магнитного поля диполя 3 вызовет изменение угла ϕ, что, в свою очередь, определяет изменение счета нейтронов на детекторе 5.

Экспериментально измерив поляризованное отношение R = , где N_б/F - число нейтронов при отключенном флиппере 6, а N_F - число нейтронов при включенном флиппере 6, можно определить величину деполяризации:
D = · где R - поляризованное отношение в начале эксперимента, когда магнитное поле сверхпроводящего диполя Н = 0; R_i - поляризационное отношение при значениях поля Н; e - эффективность переворота флиппера 6.

Эффективность переворота сверхпроводящего флиппера определяется из выражения K = . На фиг. 2 приведена экспериментальная кривая зависимости эффективности переворота сверхпроводящего флиппера от Н. С помощью этой кривой можно определить значение магнитного поля Н, обеспечивающее требуемое направление спина нейтрона при выходе из дна сверхпроводящего стакана 2 при фиксированном значении расстояния l между доньями сверхпроводящих стаканов 1 и 2.

С помощью предложенного устройства можно осуществлять сохранение направления спина нейтронов при входе в область с произвольными направлениями магнитных полей. Для этого достаточно в устройстве, описанном выше, наличия одного сверхпроводящего стакана 1, установленного на входе сверхпроводящего флиппера, на границе изменения направления магнитного поля. При этом нейтрон, проходя сверхпроводник, находящийся в сверхпроводящем состоянии, будет сохранять направление своего спина.

Предложенный сверхпроводящий спин-флиппер очень прост в изготовлении и еще процесс - в эксплуатации, особенно в тех экспериментах, которые проводятся при гелиевых температурах и ниже. Изготовление сверхпроводящего флиппера требует сверхпроводящего материала 1 рода с высоким значением критического поля Н_с (стакан или пластинка из чистого свинца и др.).

Предлагаемое устройство обеспечивает неадиабатичность вектора поляризации нейтронов при их прохождении через магнитные поля произвольного направления, а также требуемое направление спина нейтронов в заданной точке пространства.

Изобретение относится к области нейтронной физики, более конкретно - к сверхпроводящим спин-флипперам. Целью изобретения является обеспечение заданного направления спина нейтрона. На пути нейтронов при прохождении области разных направлений магнитных полей установлены для стакана из сверхпроводника первого рода, обращенные друг к другу доньями на определенном расстоянии. Изобретение обеспечивает неадиабатичность вектора поляризации. 2 ил.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ НЕЙТРОННЫЙ СПИН-ФЛИППЕР, содержащий магнитный экран из сверхпроводника, помещенный в пространство с произвольными направлениями магнитных полей, отличающийся тем, что, с целью обеспечения любого заданного направления спина нейтрона, экран выполнен в виде двух стаканов из сверхпроводника 1 рода, повернутых доньями друг к другу и помещенных внутрь сверхпроводящего магнитного диполя на заданное расстояние l между доньями.