Некоторые новые аспекты оптики поляризованных нейтронов
В.Л.Аксенов,
доктор физико-математических наук Объединенный институт ядерных исследований Дубна
В 1972 г. журнал «Природа» опубликовал статью
И.М.Франка «Некоторые новые аспекты нейтронной оптики» [1], в которой автор рассмотрел аналогии и различия между оптическими свойствами света и нейтронов на примере двух принципиального характера экспериментов, выполненных на первом в мире пульсирующем реакторе ИБР в ЛНФ ОИЯИ. Один из них — реализация в 1963 г. дифракционных экспериментов по времени пролета, другой — открытие в 1968 г. возможности удержания в замкнутом пространстве нейтронов очень низких энергий — ультрахолодных нейтронов (см. также [2]). Оба эти направления интенсивно развивались в последующие годы в значительной мере благодаря работам, проведенным в основанной Франком лаборатории.
Илья Михайлович глубоко понимал и чувствовал оптику, и поэтому естественно, что после отмеченных выше экспериментов, особенно с ультрахолодными нейтронами, он обратился к оптическим аналогиям и в дальнейшем уделял этим вопросам большое внимание. В частности его привлекала задача оптического описания поведения нейтронов при скользящем падении на поверхность
© Аксенов В.Л., 2008
плотных веществ. Этот раздел нейтронной оптики начал бурно развиваться с середины 1980-х годов после появления высокопоточных импульсных источников нейтронов, среди которых был и пульсирующий реактор ИБР-2 в Дубне, принятый в эксплуатацию в 1984 г. [3].
На высокопоточных источниках использование метода времени пролета перешло на качественно новый уровень. Так, дифрактометрия по времени пролета фактически пережила свое второе рождение и превратилась в высокоинформативный метод структурной нейтронографии [4]. Получила развитие и техника отражения нейтронов при скользящем падении. В настоящее время этот метод, называемый нейтронной рефлектометрией, сформировался как мощное средство диагностики и исследований нано-структурных материалов. Выяснилось, что он также имеет свои преимущества во времяпролет-ной постановке эксперимента. Особый интерес для нейтронной рефлектометрии представляет использование поляризованных нейтронов.
Лаборатория нейтронной физики была среди пионеров создания нового научного направления — оптики поляризованных нейтронов при скользящем угле падения, и все вопросы, связанные с его становлением, об-
суждались с Франком. О современном состоянии этой дисциплины и пойдет здесь речь.
Магнитное расщепление нейтронного пучка
Часто, когда говорят об оптике, имеют в виду оптику частиц света — фотонов. Однако распространение любых частиц подчиняется законам оптики — либо волновой, либо геометрической. Это относится, конечно, и к нейтронам: именно в нейтронной оптике имеется больше всего аналогий со световой [1, 2]. Причем аналогии наблюдаются в различных диапазонах энергий (или длин волн). Так, для ультрахолодных нейтронов, энергия которых меньше 10-7 эВ (длина волны больше 100 нм), оптика аналогична оптике видимого света. Для тепловых нейтронов, средняя энергия которых около 10-2 эВ (длина волны ~0.2 нм), оптика очень близка к таковой рентгеновских лучей с энергией квантов около 7 кэВ.
В исследовательских ядерных реакторах и источниках нейтронов на базе ускорителей основную долю излучаемых нейтронов составляют тепловые нейтроны, т.е. нейтроны, замедленные до состояния теплового равновесия с веществом замедлителя при комнатной температуре. Распределение по
скоростям тепловых нейтронов близко к максвелловскому. Нейтроны из этого спектра со скоростями в несколько раз меньше максвелловской называются холодными (длина волны около 0.4 нм). В последние годы в связи с возросшим интересом к биологическим объектам и на-ноструктурным материалам все большее распространение получают так называемые холодные замедлители, с помощью которых замедляют нейтроны до меньших энергий, чтобы получить интервал длин волн от 0.4 до 2 или даже 3 нм.
Нас в дальнейшем будут интересовать тепловые и холодные нейтроны, оптика которых аналогична оптике рентгеновских лучей. При этом не надо забывать, что природа этих двух излучений разная, поэтому имеются существенные отличия. Отметим два из них. Прежде всего, масса покоя нейтрона в отличие от фотона не равна нулю. В результате в нейтронной оптике и спектроскопии реализуется метод времени пролета, у которого нет аналога в световой оптике и спектроскопии. Суть этого метода состоит в том, что фиксируется время вылета нейтрона из источника и время его прилета в детектор. Зная расстояние от источника до детектора и время пролета нейтроном этого расстояния, можно определить его скорость V, а следовательно, энергию и длину волны согласно соотношению де Брой-ля X = h/mv. Метод времени пролета — альтернатива методу фиксированной длины волны, когда аналогично рентгеновской оптике из спектра источника нейтронов с помощью монохрома-тора выделяют излучение с заданной длиной волны (или с заданной скоростью), а измеряют угол рассеяния. Для структурных исследований с помощью нейтронов метод времени пролета имеет целый ряд преимуществ (см., например, [4]).
Второе важное отличие, придающее своеобразие нейтронной оптике, связано с наличием
у нейтрона спина и связанного с ним магнитного момента. В результате нейтрон испытывает в веществе помимо ядерного еще и магнитное взаимодействие, что позволяет изучать взаимное расположение и ориентацию магнитных моментов атомов, а также их динамику. Для изучения магнитных свойств вещества весьма эффективными оказываются поляризованные нейтроны*. Поляризация нейтронов
* Идея использовать поляризованные нейтроны для исследования вещества возникла сразу же после демонстрации дифракции нейтронных волн. В 1936 г Ф.Блох теоретически показал, что эффективное сечение рассеяния нейтронов в намагниченном железе должно быть разным для двух возможных ори-ентаций спина нейтрона по отношению к магнитному полю, в результате чего нейтронный пучок после прохождения через намагниченное железо будет содержать преимущественно нейтроны, спин которых ориентирован в определенном направлении. В конце 1940-х — начале 1950-х годов Д.Юз с соавторами провел серию основополагающих экспериментов по оптике поляризованных нейтронов. Многие пионерские работы по технике поляризованных нейтронов и их использованию были выполнены в Ленинградском институте ядерной физики РАН, что отражено частично в [5].
и поляризация света имеют разную природу. Поляризации света соответствует определенный тип колебаний электрического и магнитного векторов в электромагнитных волнах. Дать строгое определение поляризации нейтронов — сложная квантово-механическая задача, однако для практических применений вполне адекватно простое представление, используемое в эксперименте: пучок нейтронов называют поляризованным, если в нем число нейтронов с одной проекцией спина заметно превышает число нейтронов с другой проекцией. Спин нейтрона равен 1/2, а его проекция на любое направление равна 1/2 или -1/2. В исходном, неполяризованном пучке нейтронов обе проекции равновероятны.
В оптике тепловых и холодных нейтронов возможны два подхода: корпускулярный на основе уравнения Шредингера с некоторым средним потенциалом, действующим на нейтроны в среде, и волновой, который опирается на понятие «показатель преломления», как это делается в оптике. Обычно используют первый подход, хотя
в какой-то степени второй подход более нагляден, поскольку упомянутое понятие применимо к любым волнам де Бройля [1]. Природа показателя преломления нейтронных и световых волн одна и та же. Падающая волна вызывает при рассеянии в среде вторичные волны, когерентное сложение которых
и дает преломленную и отраженную волны. Отличие состоит в взаимодействии со средой: свет рассеивается электронными оболочками атомов, а нейтроны — ядрами. В магнитной среде нейтроны, кроме того, взаимодействуют и с магнитными моментами атомов. В этом случае коэффициент преломле-
V/
Рис.1. Преломление (а) и отражение (б) нейтронного пучка на границе раздела двух магнитных сред с неколлинеарными векторами магнитной индукции В1 и Вг.
При преломлении нейтроны из области 1 проходят в область 2 через границу раздела под малым углом скольжения 0. Нейтроны с проекцией спина вдоль, знак «+», (против, знак «-») В1 на границе раздела могут перейти с некоторой вероятностью в состояние с проекцией спина вдоль (против) или против (вдоль) В2. Таким образом, на границе существуют четыре спиновых перехода: + +, + -, - +, —. Первый знак отвечает проекции спина на направление магнитной индукции в среде 1, а второй — тому же в среде 2. Вероятности спиновых переходов № - № + ~ $т2х, где х — угол между векторами магнитной индукции в соседних областях. Все преломленные на границе раздела пучки нейтронов полностью поляризованы.
При отражении нейтронов происходит расщепление неполяризованного пучка на три: пучки нейтронов, соответствующие спиновым переходам «+ +» и «—», испытывают зеркальное отражение, пучки нейтронов, соответствующие переходам «+ -» и «- +», отражаются незеркально.
ния нейтронной волны будет состоять соответственно из двух слагаемых п± = По + ЦпВ/Еп, где По — показатель преломления за счет взаимодействия нейтронов с ядрами, ц и Еп — магнитный момент и энергия нейтрона, В — магнитная индукция в среде, знак «+» или «-» определяется направлением спина нейтрона — по полю или против поля соответственно.
В результате пучок нейтронов, падающий из немагнитной среды в магнитную, расщепится на два, т. е. произойдет двойное лучепреломление. Однако в отличие от световой оптики каждый из этих пучков будет состоять из нейтронов определенной поляризации*. Если уменьшать угол между осью падающего пучка и поверхностью среды, при некотором значении угла падения 0С для одного из лучей наступит полное внутреннее (внешнее) отражение. На этом явлении основано получение пучков поляризованных нейтронов с помощью так называемых поляризующих зеркал [5]. Значения критического угла 0С малы (меньше 1°), поэтому падение называют скользящим.
До сих пор мы рассматривали простой с
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.