За 30 лет своего существования экспериментальная физика ультрахолодных нейтронов (УХН) шагнула далеко вперед, дав новые результаты по определению фундаментальных свойств нейтрона. Это эксперименты по измерению времени жизни свободного нейтрона до бета-распада [1], по поиску электрического дипольного момента нейтрона [2] и электрического заряда нейтрона [3].
Малая энергия УХН (< Ю~7эВ) является причиной того, что они испытывают полное отражение от энергетических барьеров, обусловленных ядерным, магнитным и гравитационным взаимодействиеми. Вытекающая отсюда возможность хранения ультрахолодных нейтронов в сосудах и магнитных ловушках позволила не только осуществить вышеуказанные эксперименты, но и поставила перед исследователями проблему, до сих пор не получившую окончательного решения.
Время удержания ультрахолодных нейтронов в сосуде хранения существенно зависит от вероятностей процессов их неупругого рассеяния и захвата на ядрах материала стенок. Суммарную вероятность этих процессов принято называть полной вероятностью потерь УХН.
Несмотря на многолетние исследования, до сих пор не ясно, почему получаемые в экспериментах по хранению УХН значения полной вероятности потерь заметно превосходят величины, рассчитанные из общепринятых теоретических представлений о взаимодействии медленных нейтронов с конденсированной средой. Это расхождение сильно меняется от вещества к веществу, с которыми взаимодействуют УХН. Причем величина избыточной вероятности потерь слабо зависит от температуры и способов обработки поверхности [5,6].
На поверхности исследуемых веществ не были обнаружены примеси ядер с большими сечениями захвата (например, бора, азота, хлора) в количествах достаточных для объяснения наблюдаемого эффекта. одной из причин дополнительного вклада в вероятность потерь УХН является их неупругое рассеяние в диапазон 5−30 мэВ [7]. Вероятность такого неупругого рассеяния УХН в 50−100 раз превышает вероятность неупругого рассеяния УХН на тепловых колебаниях ядер самого вещества. Однако для объяснения дополнительных потерь УХН по каналу неупругого рассеяния, достаточно было предположить наличие водородосодержащих примесей на исследуемой поверхности. Данная гипотеза имела косвенное подтверждение в виде слабой температурной зависимости потока неупругого рассеянных нейтронов [8]. Методом ядерных реакций водород был обнаружен на поверхности практически всех веществ и материалов, используемых в экспериментах с ультрахолодными нейтронами [9]. Тем не менее, доступные в экспериментах с УХН методы очистки поверхности не позволили сколько-нибудь приблизиться к уровню теоретического значения вероятности потерь УХН.
Наиболее интересными оказались результаты эксперимента с глубоко охлажденным бериллием — материалом, обладающим малым сечением захвата нейтронов [10]. Несмотря на тщательную очистку и последущий контроль элементного состава бериллиевой поверхности, полученная величина полной вероятности потерь в 100 раз превосходит расчетное значение полной вероятности потерь [10]. При этом избыточная часть полной вероятности потерь УХН выглядела практически независящей от температуры в диапазоне (6−80)°К. Простые оценки указывали на неприменимость водородной гипотезы к объяснению наблюдаемого результата. Температурная независимость данного эффекта заставляла предполагать существование принципиально нового механизма взаимодействия нейтрона с веществом, проявляющегося при подбарьерном отражении УХН. Поиск объяснений привел к попыткам пересмотра закона дисперсии нейтрона в веществе для области энергий сверхмедленных нейтронов [11,12], к гипотезе сверхслабого нагрева УХН [13]. Возникла необходимость экспериментальной проверки теории радиационного захвата нейтронов ядрами в диапазоне энергий УХН.
Накопленный экспериментальный материал обладал существенным недостатком: малое количество измеряемых параметров для полноценного анализа наблюдаемого явления.
Например, при сравнении экспериментальных и модельных кривых температурной зависимости полной вероятности потерь, с необходимостью предполагалось постоянство поверхностной концентрации водорода во всем интервале температур образца. Для определения избыточной вероятности потерь использовалось значение вероятности потерь УХН по каналу захвата для чистого вещества, рассчитанное в приближении прямоугольного потенциального барьера. Далеко не всегда осуществлялся контроль химического состава доступного для УХН приповерхностного слоя вещества.
Таким образом, механизм взаимодействия ультрахолодных нейтронов с поверхностью вещества выглядел весьма туманно. С одной стороны, присутствовали указания на несправедливость элементарной теории, с другой стороны, экспериментальные факты не позволяли отдать предпочтение той или иной гипотезе. Из-за отсутствия конкретного механизма, приводящего к наблюдаемому усилению процессов потерь УХН, данная проблема получила название проблема аномальных потерь УХН или просто аномалии.
При внимательном просмотре всей истории исследований с ультрахолодными нейтронами нельзя не заметить, что естественным дополнением к ранее использованным методикам стали бы регистрация и последующий анализ мгновенного гамма-излучения, возникающего в результате захвата УХН ядрами исследуемой поверхности. Такой подход позволил бы одновременно измерить парциальные вероятности потерь УХН как по каналу захвата различными ядрами в поверхностном слое, так и по каналу неупругого рассеяния. Несмотря на то, что развитие данного метода вело к существенному прогрессу в понимании механизма подбарьерного отражения ультрахолодных нейтронов, низкая эффективность гамма — спектрометрических установок и низкие потоки УХН делали вовсе неочевидным успех работы в данном направлении.
Данная работа посвящена экспериментальной реализации ранее не применявшегося в физических исследованиях с УХН метода нейтрон-радиационного анализа с последующим использованием его для изучения процесса взаимодействия ультрахолодных нейтронов с нержавеющей сталью, бериллием, медью и другими веществами и материалами. Первоначально работа велась в направлении создания установки на основе сцинциляционного детектора гамма-излучения. Водород был явно обнаружен на поверхности нержавеющей стали. Была также установлена корреляционная зависимость между вероятностей потерь УХН по каналам неупругого рассеяния и захвата протонами. Для дальнейшего продолжения исследований был применен полупроводниковый Ge (HP) гамма-спектрометр объемом около 100 см³. Основные измерения с образцами бериллия, нержавеющей стали, меди, никеля и др. проводились на источнике УХН высокопоточного реактора Института Лауэ-Ланжевена (ILL, Франция).
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
— развитие принципиально нового метода нейтрон — радиационного анализа на ультрахолодных нейтронах для исследования взаимодействия УХН с поверхностью вещества;
— прямое доказательство присутствия водорода на поверхности широкого ряда веществ и материалов методом нейтрон — радиационного анализа в эксперименте по хранению УХН;
— количественное определение вклада водорода в величину полной вероятности потерь.
УХН;
— оценка величины сечения неупругого рассеяния УХН на поверхностно связанных протонах;
— оценка величины поверхностной концентрации водорода на различных стадиях обработки поверхности образцов;
— экспериментальное подтверждение справедливости описания процесса захвата ультрахолодных нейтронов на поверхности вещества в рамках общепринятой теории радиационного захвата медленных нейтронов;
— исследование процессов захвата и нагрева УХН при взаимодействии с поверхностью бериллия;
— измерение коэффициентов потерь УХН по каналу радиционного захвата на поверхности меди, никеля и молибдена;
— обнаружение эффекта селективного усиления захвата УХН при взаимодействии с поверхностью сплавов (нержавеющая сталь, латунь);
— объяснение эффекта селективного усиления захвата УХН (в случае нержавеющей стали) кластерной структурой вещества в рамках существующей теории взаимодействия медленных нейтронов с веществом;
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 31 рисунок и 10 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 60 наименований. Общий объем работы 109 страниц.
Опишем основные результаты выполненной работы.
Предложен и реализован принципиально новый метод нейтрон-радиационного анализа на ультрахолодных нейтронах для исследования процесса взаимодействия УХН с поверхностью вещества.
Во всех проведенных в рамках работы экспериментах наблюдается хорошее совпадение полной вероятности потерь ультрахолодных нейтронов, измеренной традиционым методом хранения, с суммой вероятности потерь УХН по каналу неупругого рассеяния и парциальных вероятностей их захвата на ядрах в составе поверхностного слоя вещества, полученных методом нейтрон-радиационного анализа на УХН. Это однозначно свидетельствует о работоспособности нового метода.
Впервые в эксперименте по хранению УХН методом нейтрон — радиационного анализа на поверхности всех исследованных в данной работе веществ и материалов обнаружен водород. Показано, что по мере очистки поверхности независящая от температуры образца величина вероятности потерь УХН по каналу захвата на поверхностном водороде меняется в диапазоне 3 ¦ 10−6 -г- 2 • Ю-4, что, в приближении тонкой пленки (4.1.13), соответствует поверхностной концентрации водорода 1 • 1016 — 7 • 1017 ат/см2. В некоторых случаях вероятность захвата ультрахолодных нейтронов на водороде связана линейной зависимостью с вероятностью их неупругого рассеяния. Соответствующая данному процессу величина сечения неупругого рассеяния УХН, приведенная на один поверхностный протон лежит в диапазоне 3 •*• 7 барн (при тепловой скорости падающего нейтрона). Это значительно меньше сечения рассеяния нейтрона свободным протоном (20барн) — минимального из используемых ранее для оценки вкладов нагрева и захвата на водороде в величину полной вероятности потерь УХН, [31, 36, 38]. В тоже время, полученная экспериментальная оценка сечения неупругого рассеяния УХН водородом соответствует рассеянию ультрахоложных нейтронов на акустических колебаниях связанного протона в диапазон энергий 5−30мэВ.
Остаточное значение вероятности неупругого рассеяния УХН порядка 10″ 4 при комнатной температуре, соответствующее нулевой (в пределах чувствительности экспериментальных установок) концентрации водорода (нержавеющая сталь), можно также объяснить рассеянием на поверхностном водороде с большим сечением неупругого рассеяния [36].
Таким образом, экспериментально подтверждена гипотеза о водороде как основном источнике избыточных потерь УХН, взаимодействующих с поверхностью вещества.
Проведенное исследование бериллиевого образца показывает, что даже после длительного отжига остаточная концентрация поверхностного водорода обеспечивает температурно независимую добавку к величине вероятности потерь на бериллии порядка 10~5, что составляет приблизительно 30% от величины широко известной «аномалии», наблюдаемой на глубоко охлажденной цельной бериллиевой ловушке установки для измерения времени жизни свободного нейтрона [13]. При температуре 10К еще около 20% вклада в «аномалию» можно объяснить неупругим расеянием УХН на остаточном водороде и конденсате остаточных газов. Поэтому решение проблемы получения чистого сосуда из бериллия для прецизионного измерения времени жизни нейтрона до ?- распада главным образом связано с прогрессом в разработки технологии очистки поверхности бериллия от водорода до уровня ниже 1015 ят/см2, а также получения высокого вакуума («10~9 Topp при комнатной температуре) в объемах хранения УХН.
Определено значение коэффициента потерь УХН по каналу захвата на ядрах бериллия rfi* = 4(2) • 10~7. Данная величина находится в согласии со значением, рассчитанным в рамках стандартной теории взаимодействия медленных нейтронов с веществом, и ограничивает вероятность возможного процесса сверхслабого нагрева на 50−100нэВ УХН до уровня 8 • 1045 на один удар.
Обнаруженная у — спектрометрическим методом малая примесь хлора внутри экспериментального объема указывает на необходимость разработки экспресс-методов контроля за чистотой поверхности сосудов хранения экспериментов по измерению времени жизни свободного нейтрона. Это особенно актуально для экспериментов с применением безводородного масла фомблин [60].
Измерены вероятности потерь по каналу захвата УХН для меди, никеля и молибдена. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с расчетными значениями, что доказывает справедливость описания взаимодействия УХН с веществом в рамках общепринятой теории радиационного захвата медленных нейтронов.
Методом нейтрон — радиационного анализа на УХН исследовано взаимодействие УХН с нержавеющей сталью марки 1Х18Н10Т, широко используемой в экспериментах с ультрахолодными нейтронами. Обнаружено селективное усиление процесса захвата УХН различными элементами, входящими в состав данного типа нержавеющей стали, при общем четырех кратном (по сравнению с расчетом) увеличении суммарной вероятности захвата. Показано, что данное явление объясняется кластерной структурой вещества, исключающей использование модели прямоугольного потенциального барьера в качестве потенциала взаимодействия УХН с нержавеющей сталью данного типа. Элементарное обобщение модели потенциала в рамках существующей теории приводит к количественному согласованию наблюдаемых результатов с расчетом.
При исследовании процесса захвата УХН на поверхности латуни, обнаружен усиленный захват ультрахолодных нейтронов ядрами цинка. Четырехкратное (относительно расчета по формуле (1.1.17)) усиление парциального коэффициента захвата можно объяснить изменением концентрационного состава приповерхностного слоя латуни, вероятно, возникающее после отжига образца при температуре 350″ С: на поверхности латуни образуется слой с повышенным содержанием цинка («69%).
Проведенное исследование открывает возможность использования опыта хорошо известного объемного нейтрон — радиационного анализа [43] для иследования изотопного состава поверхности вещества. Развитие этого метода может привести к существенному прогрессу там, где требуется знание поведения водорода на поверхности вещества. Совмещение данного метода с методикой измерения спектров нагретых нейтронов позволит получить наиболее полную информацию о механизме захвата и неупругого рассеяния УХН при их отражении от поверхности вещества.
Дальнейшее развитие метода нейтрон — радиационного анализа на УХН зависит главным образом от прогресса в работах, нацеленных на повышение эффективности спектрометра уизлучения и понижение фонового излучения, исходящего со стенок экспериментального объема. Например, использование алмазоподобного покрытия стенок измерительного объема в совокупности с германиевым детектором объемом 150 см³ приводит к улучшению чувствительности установки к регистрации у — квантов с энергией 2223 кэВ в 10 раз. Это позволит сократить площадь исследуемого образца до 200−500см, что оказывается существенным при работе с дорогостоящими материалами.
В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю В. И. Морозову, под руководством которого была выполнена эта работа, а также Ю. Н. Панину, JI.H. Бондаренко, А. И. Фомину, С. В. Жукову, В. Л. Кузнецову за плодотворную совместную работу.
Заключение
.
