ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.
Глава 1. Проблема аномалии взаимодействия ультрахолодных нейтронов с конденсированными средами и методы ее решения —.............................................................. 10
1.1 Общие положения теории взаимодействия УХН с конденсированными средами 10
1.2 Основные этапы экспериментального исследования взаимодействия ультрахолодных нейтронов с веществом .................................................. 15
Глава 2. Метод нейтрон-радиационного анализа ядерного состава поверхности на ультрахолодных нейтронах.................................. 25
2.1 Методики измерения полной и парциальных вероятностей потерь УХН..................... 25
Глава 3. Экспериментальные установки н калибровочные
измерения .............................................................. 32
3.1. Общие требования, предъявляемые к конструкции экспериментальной установки....................................................................... 32
3.2 Установка на основе сцинтнлляцнонного детектора у- излучения..........................33
3.2.1. Описание конструкции установки.... >»МЧМ»ИЧМ»«»»—ЧМММ>И<ЧМ<МН«—ИМ»»МММ»>И»И»ИМ1М 33
3.2.2 Калибровочные измерения 36 33 Экспериментальные установки на базе германиевого у-детектора
высокого разрешения •ммм»мамм«мм*м«м«»і«««мі*м«»м*ім«»*м«»«м«ммм»ім«<ммтм«»м«мн«м«»м«*м«*««мм«(«м«(а» 42
3.3.1 Описания конструкции установок.. 42
3.3.2 Исследование параметров установок н калибровочные измерения.........................49
Глава 4. Обнаружение водорода на поверхности и определение его
вклада в избыточный (аномальный) коэффициент потерь УХН.....................57
4.1 Изучение процессов неупругого рассеяния и захвата УХН водородом на поверхности нержавеющей стали
ММ»М€<»МЧ»М — М»М»»>Н»М«»НМИ«>Н4»ММ»ММ*И<>МИ»»—«>ЧМ»М«ММ«МИ>И<ММ»МНчИ*М»>«»м 57
4.2 Изучение процессов неупругого рассеяния н захвата УХИ водородом на поверхности
бериллия...................................................................................................................... 63
43 Результаты измерений корреляционной зависимости вероятности неупругого рассеяния УХН от вероятности захвата на поверхностном водороде для меди, молибдена, латуни, графита, тефлона и безборного стекла 75
Г лава 5. Исследование процесса радиационного захвата УХН на поверхности моноэлементиых веществ........................................................................ 78
5.1 Изучение процесса захвата УХН на поверхности бериллия .................................................................. 78
5.2 Изучение процесса захвата УХН на поверхности меди, никеля н молибдена......................................................84
Глава 6. Обнаружение и объяснение эффекта селективного усиления радиационного захвата УХН на поверхности сплавов............................................................ 87
6.1 Наблюдение эффекта селективного усиления захвата УХН на поверхности нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т ............................................................................ 87
6.2 Кластерная структура вещества как причина селективного усиления захвата УХН, взаимодействующих с поверхностью нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т 91
6.3 Изучение процесса радиационного захвата УХН, взаимодействующих
с поверхностью латуни .................................................................................................... 99
Заключение............................................................................................................ 102
Литература. 106
3
Введение
За 30 лет своего существования экспериментальная физика ультрахолодных нейтронов (УХН) шагнула далеко вперед, дав новые результаты по определению фундаментальных свойств нейтрона. Эго 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 (^ 10 7 эВ ) 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 ультрахолодних 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.
4
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 [131. 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.
5
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
6
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 100см3. 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;
7
- 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.
В первой главе в свете проблемы "аномального" взаимодействия УХН с веществом изложены основные положения взаимодействия УХН с конденсированными средами, представлены связи измеряемых величин с параметрами теории, описаны существующие методы иелледования данной проблемы. Вторая глава содержит описания метода нейтрон -радиационного анализа на УХН, методик измерения вероятностей потерь УХН по различным каналам. В третьей главе приведены описания схем экспериментальных установок и калибровочных процедур. В четвертой главе представлены и обсуждаются результаты исследования, посвященного обнаружению водорода на поверхности всех исследованных в данной работе веществ и материалов методом нейтрон - радиационного анализа. В пятой главе приведены результаты измерений вероятности потерь по каналу радиационного захвата УХН для моноэлементных веществ, таких как бериллий, медь, никель и молибден. В шестой главе изложено описание эффекта селективного усиления захвата УХН, обнаруженного на сплавах (нержавеющая сталь, латунь), и его объяснения кластерной структурной вещества в рамках существующей теории взимодействия медленных нейтронов с веществом. В заключении сформулированы основные результаты диссертации и намечены возможные пуга дальнейшего направления исследований взаимодействия УХИ с конденсированными средами.
8
- Київ+380960830922