Устройство для получения ультрахолодных нейтронов Советский патент 1987 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к экспериментальной нейтронной физике и може быть использовано в исследованиях, требующих пучки ультрахолодных нейтронов (УХН). Известны устройства, в которых JOCH извлекаютиз замедлителя, окружающего источник нейтронов, наприме ядерный реактор. Однако в силу большого сечения поглощения УХН конструкционными материалами эффективность их извлечения в этих устройствах довольно низ ка. Известно также устройство для по лучения УХН, содержащее нейтроновод электромагниты для создания стационарного магнитного поля на участках замедления нейтроноводов, нарастающ го на входе в указанный з часток и спадающего на выходе из него, и резонансные петли для создания осцилл рующего поля. Принцип работы известного устрой ства состоит в следующем. Нейтрон с магнитным моментом , находящийся в магнитном поле Н, име ет потенциальную энергию (иН) 2/x(Sh)H, где .S - спин нейтрона; h единичный вектор вдоль И. Здесь учтено , что S и |U антипараллельны. Си ла, действз ощая на нейтрон в данной точке поля, равна f -gradW -2 (Sh)gradH. Выберем для опреде ленности направление вектора gradH вдоль скорости нейтрона V и обозначим эту ось X. Тогда сила F ет вдоль оси X и равна т-1JHдля S -::. Если -г- .О, например, т/с л при входе нейтрона в магнитное поле то нейтрон с проекцией спина вдоль поля S + у будет тормозиться поле (F : 0), а нейтрон с S - - будет ускоряться, при -- : о, например, на выходе из поля, ситуация будет обратной. Таким образом, если нейтрон при йходе в поле замедлится (ускорится) то на выходе из него он в той же степени ускорится (замедлится) и ег энергия в конечном счете не изменит ся. В рассматриваемом устройстве электромагниты создают в центральной части участка замедления однородное магнитное поле. Кроме того, в этой части с помощью резонансных петель создается переменное магнитное поле Н , перпендикулярное основному полю Н, такой частоты и амплитуды, чтобы происходил резонансный переворот спинов нейтронов со скоростью V на 180°. Поэтому нейтроны, замедлившиеся на входе в магнитном поле, будут замедляться и на выходе из него. Создавая на пути нейтронов цепочку таких участков, можно замедлить нейтроны до любой заданной скорости. Например, для замедления нейтронов с начальной скоростью 50 м/сек до УХН требуется 50 таких участков с максимальным значением магнитного поля .20 кЭ. Невысокая эффективность известного устройства обусловлена тем, что эффективньй интервал скоростей нейтронов, участвзтощих в замедлении, довольно узок. Действительно, вероятность переворота в методе спинового резонанса равна ; 7; т7йг- ) , где U) - частота осциллирующего поля; Му- ларморовская частота; -у - гиромагнитное отношение нейтрона; - время нахождения нейтрона со скоростью V в области действия осциллирзтощего поля длиной 1. При точном резонансе и ш и . P(t)sin 2 -,. 2 У 1 V для P(t) I является -уВ, Jy Ti. Так как Н и 1 должны быть фиксированы для определенного V, то для других скоростей условие полного переворота спина нарушается. Таким образом, в процессе замедленияучаствуют нейтроны, имеющие скорости в узком интервале вблизи некоторого значения V. Цель изобретения - повышение эффективности устройства путем расширения начального интервала скоростей замедляющихся нейтронов. Достигается это за счет того,что указанные электромагниты вьшолнены в виде источников монотонно изменяющегося по величине между входной и вы35ходной частями ynoMHHytbix участков замедления магнитного поля. На чертеже изображено устройство для получения ультрахолодных нейтронов . Оно содержит шиммы 1, полюса элек тромагнита 2 и резонансную петлю 3. Монотонное изменение магнитного поля по величине между входной и выходной частями участков замедления достигнуто с помощью съемных шимм 1, наложенных на полюса .электромагнита 2, Приемлемыми являются и любые другие способы получения магнитного поля с монотонно изменяющейся поперек основного его направления величиной, например, применение дополнительных обмоток и т.д. Работает устройство следзгющим образом. Если на вход участка замедления поступают нейтроны, то значительно большая их часть, чем в известном устройстве, замедлившись во входной части участка замедления, будет замедляться и в выходной части. Наличие изменения величины Н, в централь ной части участка замедления обеспечит условие переворота спинов всех нейтронов со скоростями ниже определенной. Действительно, пусть нейтрон летит вдоль оси X в магнитном поле с градиентом с Нр/с/X. Приложим на пути нейтрона перпендикулярное величине H(j осциллирующее магнитное поле Н с частотой (О . Если теперь перейти во вращающуюся с частотой и систему координат, то получим эффективное поле Не (Нд - )К. + , где К и г - единичные векторы вдоль Н и Н. Так как Н зависит от X, то в какой-то точке поля выполняется равенство Нр - и и при дальнейшем изменении координаты X поле: iif изменяет направление на противоположное. Если величина HO изменяется достаточно медленно, то спин нейтрона будет следить за Hg, и тем са4 4 мым относительно лабораторной системы испытьшает поворот. Условие адиабатичности есть. VdH(,/c/x« jHj, Если это условие выполнить для некоторой максимальной скорости V, то оно автоматически будет выполняться и для нейтронов с меньшими скоростями, тем самым обеспечивается переворот спинов замедляющихся нейтронов независимо от их скорости. Интервал скоростей нейтронов, участвующих в замедлении, при этом сильно расширится, что приведет к увеличению числа ультрахолодных нейтронов и тем самым эффективность установки увеличится. Увеличение эффективности установки следующее. В первом электромагните нейтроны с начальной энергией в интервале от Е до 2|иНр замедляются до , до энергии в интервале от Е згр После второго электромагнита в УХН переходят нейтроны с начальной энергией от -ь2,иНо до +4/«Но и т.д. После п-участка в УХН переходят нейтроны с начальной энергией ,от +2(п-1)Нр да . . Кратность увеличения t| в числе УХН с помощью этого устройства по сравнению с устройством - прототипом E,/t2nfiH, Егр +2ii(uKo EciE ), 4;%2(«-l).H, Згр ЕГР -1- n/uHe Ejp%(2n-i)fiHo При имеет ч . При п 77 1 и достаточно больщих Н о (20-30 кЭ) хорощим приближением является следующее выражение i.-2 Например, для 50 электромагнитов получаем 25-кратное увеличение эффективности устройства.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ, содержащееLнейтроноводы, электромагниты для создания стационарного магнитного поля на участках замедления нейтроноводов, нарастающего на входе в указанный участок и спадающего на выходе из него, и резонансные петли для создания осциллирующего поля, отличающееся тем, что, с целью повьшения эффективности, указанные электромагниты выполнены в виде источников монотонно изменяющегося по величине между входной и выходной частями упомянутых участков замедления магнитного поля.?</)с»-* »•«елСОоО5 4^