Нейтронный фильтр Советский патент 1981 года по МПК G21K3/00 

Изобретение относится к нейтронной физике и может быть использовано при изготовлении нейтроноводных систем для нейтронов с энергией /v эВ Известен фильтр для ультрахолодиль ных нейтронов с энергией , представляющий собой структуру из чер дующихся слоев двух различных веществ титана и изотопа олова Sn 118 одинаКОБОЙ толщины около 800 А.Фильтр используется как монохроматор и имеет узкие области полного отражения , Ближайшим техническим решением является нейтронный фильтр, представ ляющий собой многослойную структуру, состоящую из слоев двух веществ с различными длинами когерентного ра сеяния нейтронов, нанесенных на плос кую подложку, причем многослойная структура состоит из плоских аморфных германиевых слоев, чередующихся с плоскими слоями из титана или марганца 2. Общим недостатком приведенных выше технических решений является небольшая область полного отражения нейтронов при углах скольжения больших критических значений для используемых веще.ств. Целью изобретения является расширение области полного отражения нейтронов при углах скольжения, больщих критических значений для используемы веществ. Это достигается тем,что в многослойной структуре,состоящей из чередукйцихся слоев двух веществ с разными длинами когерентного рассеяния нейтронов, нанесенных на подложку, последние расположены так, что первая пара, имеет максимум отражения при угле скольжения, близком к критическому, причем толщина первого слоя из вещества с большей когерентной длиной рассеяния равна половине граничной длины волны нейтрона для этого вещества, а толщины последующих слоев выбраны из условия для четных слоев Й2П для нечетных слоев 4.-%..f,. .„,. teV 5j ; где n - номер пары слоев; d2n толщина четного слоя; 2n толщина нечетио1о слоя. На фиг.1 изображено отражение нейт ронов от фильтра, на фиг.2 - представ лены зависимости отражательной способности предлагаемого фильтра из слоев N i и V однослойного фильтра из Ni. Фильтр представляет собой нанесенную на подложку, например, из стекла последовательность чередующихся слоев 1-6 различных веществ, например NJ (1,2,3) и V (4,5,6),толшины которялх уменьшаются по глубине фильт,рл. Падающий под углом скольжения 9 пучок 7 нейтронов с длиной волны Я отражает от фильтра под тем же углом 8 , и полученный отфильтрованный пучок 8 нейтронов, используется для различных экспериментов. Фильтр работает следующим образом При падении нейтронов на границу ваку ум - N i или V-Ni (что эквивалентно, поскольку показатель преломления ней ронов для V практически равен единиц из-за малости длины когерентного рас сеяния) под углом скольжения,меньшим QC, коэффициент отражения нейтронов равен единице, а при углах, превышающих QC, амплитуда отраженной волны быстро падает и определяется форму ° ,м lii±liii l ) Однако проходящий пучок будет отр жаться от следующий границы с той же амплитудой. Если подобрать расстояние между границами так, чтобы разность фаз между волнами, отраженными от соседних границ, составляла H/Z (четвертьволновые пленки), то отражение будет максимальным. Иначе говоря , при некоторой толщине слоя d существует угол скольжения Q, при котором имеется максимум отражения от слоя. Причем при уменьшении толци ны слоя положение максимума смещается в сторону больших углов. Выбирая толщину первого слоя так, чтобы отражение от него было Максимальным при (., а затем, уменьшая толщины последущих слоев, можно получить последовательность дифракционных максимумов, пере крыв акнцих диапазон углов от 9 с ДО некоторогоб. Если слои имею сильно отличающиеся толщины, то отраженные волны складываются некогерентно и суммарная интенсивность отраженноА волны приблизительно равна сумме квадратов амплитуд волн, рассеянных от различных слоев. Если же в каж дом последующем слое толцина изменяет ся йе сильно (чтобы разность фаз была небольшой), то происходит когерент ное сложение амплитуд рассеянных волн и интенсивность определяется квадратом cyw этих амплитуд, и уже при сравнительно небольшом числе слоев отражательная способность системы (R) достигает единицы. Критерий допустимого уменьшения толщины при переходе от слоя к слою получается следующим образом. Рассмотрим п-ю пару слоев (для простоты примем 2р- In полной толщиной D,,2dj. Положение максимума отражения от этой пары слоев получается из формулы Брэгга а коэффициент отражения этой пары r(Qh)2D{,/а, гдеПс- граничная , длина волны нейтронов для N i( (. Если толщина слоев переходе от пары к паре изменяется слабо, то можно ввести средний коэффициент отражения , для ЛМ пар близлежащих слоев. Если лМ л /В (Qn) (О (для получения коэффициента отражения R 98% нужно взять uN мы получим область полного отражения в интервале углов- р-а () . Пользуясь пропорциональностью U8/6 л О/О . это выражение можно записать в виде ЬО /Dpftf 0р (3). Разделив (3) на (1), получаем допустимое уменьшение толщины на одну пару слоев .1.-:1чв„г. Подставляя г (6п1 получаем условие Dn.f РП-РП Н UJ Ofi с Для того чтобы первый слой давал отражение при угле, равном вс, нужно выполнить условие Брэгга 0 Лс/2, т.е. .p/4, 2 -. Отсюда для ванадиевых слоев получаем условие Однако для никеля нужно еще учесть преломление вблизи углов, близких к Qj. , поэтому толщина первого слоя выбирается с/2, вместо /4, а толщина последущих никелевых слоев djj должны превьаиать толщину ванадиевых из той же пары на величину, обратную показателю преломления в никеле и определяться условием: Для проверки правильности выбранного условия был проведен точный расчет на ЭВМ отражательной способности фильтра с общим числом слоев 60 и указанньми соотношениями толщин с помОщью матричного метода, используемого при рг1счете многослойных оптических фильтров. На фиг.2 показана зависимость отражательной способности этого фильтра от соотношения (s tnQ/s inS) , где 9 критический угол скольжения, N1 - кривая 9. Из кривой 9 видно, что нейтроны полностью отражаются при углах скольжения, меньших некоторого характерного 9 1,7в.Т.е. при использовании