ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 2, с. 9-13
УДК 539.1.075:530.145
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИИ НЕЙТРОНОВ НА МОНОКРИСТАЛЛЕ ^г
© 2015 г. В. Л. Кузнецов, Е. В. Кузнецова*, В. С. Литвин
Институт ядерных исследований РАН, 117312 Москва, Россия *Е-таИ: evgenia@inr.ru Поступила в редакцию 30.04.2014 г.
Исследована дифракция нейтронов на монокристалле бромида калия на 50-метровой пролетной базе установки РАДЭКС ИЯИ РАН во время февральского сеанса 2012 года. Определены параметры пучка нейтронов. Обнаружен эффект расщепления рефлекса 200 в области р-волнового резонанса 81Вг. Получена оценка мозаичности исследуемого образца, которая свидетельствует о хорошем качестве монокристалла бромида калия.
Ключевые слова: дифракция нейтронов, бромид калия, расщепление рефлекса, волновой резонанс. БО1: 10.7868/80207352815020134
ВВЕДЕНИЕ
В [1—4] было показано, что в случае динамической дифракции нейтронов в геометрии Лауэ возможно усиление эффектов нарушения пространственной четности. На важность исследования подобных эффектов было указано в [5].
Дифракция нейтронов — это когерентное рассеяние нейтронов. Когерентная часть амплитуды рассеяния нейтронов нарушает пространственную четность. Этот эффект был впервые обнаружен в институте Лауэ—Ланжевена при использовании интенсивного пучка холодных поляризованных нейтронов [6] (вращение спина поперечно поляризованных нейтронов). Другими авторами [7, 8] было исследовано вращение спина поперечно поляризованных нейтронов и дихроизм в окрестности р-резонанса лантана. Оба Р-нечет-ных эффекта хорошо согласуются с теорией [9—11] и характеризуются очень большой величиной ~0.1 относительно сечения р-резонанса. Величина Р-не-четных эффектов составила ~0.01 относительно полного сечения.
В [12] показана возможность изменения параметров низколежащих ядерных резонансов при рассеянии нейтронов на регулярной структуре. То есть все ядра кристалла взаимодействуют с нейтроном как единый ансамбль, имеющий свои резонансные параметры. В свою очередь, изменение параметров резонансов может существенно модифицировать результаты расчетов и экспериментов.
В случае симметричной дифракции нейтронов в геометрии Лауэ интенсивность интегрального отражения имеет вид [13]:
где 9в - угол Брэгга, В = 2^00^ /(кЩте
-2т
2^200 =
Я = п/2 {1 - 0.798 ео8(2^(0В) +
+ п/4)/(2^(0в))0 5},
(1)
= 6.59 А; N = 3.478 х 1021 - число ячеек в см3, /200 -геометрический структурный фактор, ? — толщина монокристалла, см. Численные значения приведены для монокристалла бромида калия.
Амплитуда взаимодействия нейтрона с ядром с учетом слабого взаимодействия может быть представлена в виде:
/=/0 + /!а + /рр + /р. (2) Здесь /0 — амплитуда потенциального рассеяния, /5, /рр — амплитуда рассеяния, обусловленная и р-волновым резонансом соответственно, /р — амплитуда рассеяния, связанная со смешиванием состояний разной четности слабым взаимодействием.
Сумма амплитуд / и / вдали от «-резонанса представляет собой постоянную величину:
/ = (/0 + /«). (3)
Вкладом амплитуды/рр можно пренебречь, так как (/0 + /5) > /рр. Амплитуда/р может быть представлена в виде [14]:
/р = /ру s(p + p') +/(РГ)У s(p' - p), (4)
где/Ру, /рР7)У - амплитуды слабого нейтронно-ядер-ного взаимодействия, нарушающие пространственную четность и обращение времени соответственно; s - спин нейтрона; p, p' - единичные векторы, соответствующие направлению импульса падающего и рассеянного нейтрона. Таким образом, для разных проекций спина на импульс амплитуда, входящая в формулу (1), будет больше или меньше на/р. В [15] был численно исследован Р-нечетный эффект при дифракции нейтронов на монокристалле бромида калия с учетом расходи-
Рис. 1. Принципиальная схема эксперимента, вид сверху: 1 — первый коллиматор; 2 — вакуумированный нейтроновод; 3 — источник нейтронов; 4 — дейтерированный сцинтилляционный детектор установки для измерения нейтрон-нейтронного взаимодействия; 5 — второй коллиматор; 6 — монокристалл бромида калия, расположенный на поворотном устройстве 7; 8 — детектор нейтронов; 9 — биологическая защита.
мости падающего пучка нейтронов и мозаичности монокристалла. Оказалось, что среднегеометрическое значение угловой расходимости падающего пучка нейтронов и мозаичности монокристалла должно быть меньше 3 х 10-3.
В работе [16], выполненной на одиннадцатиметровой пролетной базе ИН-06, уже была получена оценка мозаичности монокристалла бромида калия (<3 х 10-4) в условиях большой угловой расходимости (~1°) падающего на монокристалл пучка нейтронов при длительности нейтронной вспышки 90 мкс.
В этой связи представляло интерес повторить дифракционный эксперимент на 50-метровой пролетной базе импульсного источника нейтронов РАДЭКС ИЯИ РАН при длительности нейтронной вспышки 60 мкс.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ДИФРАКЦИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 1 представлена принципиальная схема дифракционного эксперимента. Пучок нейтронов формировался системой коллиматоров 1, 5. Первый коллиматор 1 представлял собой графитовый цилиндр длиной 500 мм с отверстием диаметром 40 мм, установленный внутри трубы ней-троновода 2 на расстоянии 8 м от замедлителя 3. На пролетном расстоянии, равном 10 м, половину пучка перекрывал сцинтилляционный детектор 4 установки по измерению длины нейтрон-нейтронного рассеяния. Сразу же за нейтроноводом 50-метровой базы был установлен щелевой коллиматор 5 из борированного полиэтилена. Ширина щели составляла 40 мм, толщина — 260 мм. На расстоянии ~2.5 м от среза нейтроновода было установлено поворотное устройство 7, позволяющее дистанционно изменять угол дифракции (угол Брэгга) с точностью до 20" или ~1 х 10-4 рад.
На поворотном устройстве был установлен монокристалл бромида калия 6 толщиной 10 мм, шириной 90 мм и высотой 90 мм. Детектор нейтронов 8, представляющий собой сборку из четырех счетчиков СНМ-17, окруженную защитой из борирован-ного полиэтилена толщиной 2 см, располагался на расстоянии 140 см от монокристалла и на расстоянии ~14 см от оси пучка. Приблизительное значение расстояния от оси пучка связано с тем, что ось пучка не была отмечена. Контуром 9 показана биологическая защита установки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Процедура измерений была следующая. Детектор нейтронов был установлен в расчетное положение. Слегка поворачивая монокристалл, проводили поиск отражения первого порядка. На поиски этого рефлекса было потрачено ~36 ч. После того как рефлекс был найден, были проведены два измерения — каждое в течение 20 мин. Длина волны нейтрона X, межплоскостное расстояние ^200 и угол Брэгга 9В связаны соотношением Вульфа— Брэгга:
пХ = 2^200 8т9В, (5)
где п — порядок отражения. С другой стороны, длина волны нейтрона может быть определена по времени пролета I по следующей формуле:
X = Ы/Ь, (6)
где Ь — пролетная база. Если время пролета выражено в микросекундах, пролетная база в миллиметрах, длина волны нейтрона в ангстремах, то константа Ь = 3.956.
Бромид калия имеет гранецентрированную кубическую решетку, а = 6.59 А. Межплоскостное расстояние в такой структуре равно [8]:
= аМй2 + к2 + I2). (7)
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИИ НЕЙТРОНОВ НА МОНОКРИСТАЛЛЕ КБг
11
I, имп. 900 г
800 -
700 -
600 -
500 -
400 -
300 -
200 -
100 -
0 -
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
t, мкс
Рис. 2. Экспериментальные дифракционные спектры нейтронов в зависимости от времени пролета, полученные при исследовании монокристалла бромида калия. Черная линия соответствует первому измерению, светло-серая линия — второму измерению, 1 — рефлекс первого порядка, 2 — рефлекс второго порядка.
Используя выражения (5) и (7), находим угол 29б, под которым надо поставить детектор нейтронов, чтобы регистрировать отражение первого порядка, соответствующее окрестности ^-резонанса 81Бг (X ~ 0.3 А). Точное значение X определялось по времени пролета (6). Время пролета равно t = ^ — где ^ — время регистрации, ^ — время вспышки относительно стартового импульса. Используя время регистрации рефлексов первого и второго порядков, определяли время вспышки относительно стартового импульса.
На рис. 2 представлены результаты двух дифракционных измерений в течение 20 мин каждое. На данном рисунке хорошо виден рефлекс первого порядка (1) и обозначен рефлекс второго порядка (2). Кроме того, вблизи рефлекса первого порядка заметны симметрично расположенные сателлиты.
Большой фон связан с плохой ловушкой прямого нейтронного пучка и плохой защитой детектора нейтронов. Такая защита детектора была специально использована, чтобы можно было сравнить фоновые условия на 50-метровой базе нейтронного источника РАДЭКС и в бункере установки "Кристалл" на ИН-06. Так как фоновые условия на 50-метровой базе нейтронного источника РАДЭКС оказались значительно хуже, приводить результаты измерений на ИН-06 [16] не имеет смысла.
Хотя время измерений одинаково, количество импульсов в первом измерении больше. Для того чтобы проверить, не являются ли полученные сателлиты статистической флуктуацией, была проведена нормировка спектров в области вспышки.
I, имп. 300 г
200 -
-200 -1-1-1-1-
0.1 0.2 0.3 0.4
х, А
Рис. 3. Зависимость разности спектров, полученных в
результате первого и второго измерений, от длины
волны.
Для этого спектр, полученный в результате первого измерения, был нормирован на спектр, полученный в результате второго измерения, по суммарному количеству импульсов с 26 по 33 каналы. На рис. 3 представлена разность спектров (погрешности статистические).
Так как измерения независимы, можно оценить их погрешность и сравнить ее со статистической погрешностью. В области длин волн нейтронов 0.2-0.4 А была проведена соответствующая оценка и получена величина х2 = 1.1.
Таким образом, наблюдаемые сателлиты не являются статистической флуктуацией и, как следует из полученного эксперимента, результаты воспроизводятся.
Несмотря на плохую статистику, так как время измерения составило всего 40 мин, и на значительный фон, данный результат представляет особый интерес из-за обнаружения сателлитов. На рис. 4 приведен суммарный времяпролетный спектр нейтронов. Здесь сателлиты видны отч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.