Поляризованные нейтроны. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Поляризованные нейтроны - совокупность нейтронов (пучок), спины которых s имеют преимуществ, ориентацию вдоль к--л. выделенного направления в пространстве (оси квантования), обычно - направления магн. поля Н. Нейтрон обладает спином

(в единицах постоянной Планка

), поэтому возможны только 2 проекции спина на ось квантования вдоль и против неё.

Пучок поляризованных нейтронов характеризуется вектором поляризации Р, который равен удвоенному ср. значению (матем. ожиданию) проекции спина на Н:

Здесь s - Паули матрицы .Степень поляризации пучка нейтронов определяется выражением

где

- числа частиц в пучке с проекциями спинов вдоль (+) и против (-) направления поля Н. Если пучок не поляризован, то

и Р = 0. Для полностью поляризованного пучка нейтронов Р = 1. Полностью поляризованный пучок обладает чистым спиновым состоянием; спиновая часть волновой функции такого состояния имеет вид

Здесь

- полярные углы, характеризующие направление Р. Проекции Р в сферич. координатах:

Реальные поляризов. пучки не обладают полной поляризацией. Частично поляризованный пучок нейтронов (0 < Р < 1) содержит некогерентную примесь др. спинового состояния. Неполяризов. пучок нейтронов (Р = 0) можно рассматривать как состоящий из 2 полностью поляризованных пучков одинаковой интенсивности с противоположными знаками поляризации, но независимых друг от друга (некогерентных). Спиновое состояние частично поляризованного пучка (смешанное спиновое состояние) описывается не волновой функцией (3), а спиновой (поляризац.) матрицей плотности:

Здесь I - единичная матрица. Выражение (5) принимают в качестве строгого определения понятия поляризации пучка нейтронов, эквивалентного (1).

Энергия взаимодействия нейтронов с магнитным полем Н:

где

- магн. момент нейтрона,

- ядерный магнетон,

= -1,913 - магн. момент нейтрона, выраженный в ядерных магнетонах. Можно показать, что движение спина нейтрона в поле Н (в нерелятивистском случае) описывается ур-нием

Уравнение (7) допускает классич. трактовку:

- единичный вектор, направленный вдоль вектора Р. Согласно (7), вектор Р прецессирует вокруг направления Н с ларморовой частотой:

Если напряжённость магн. поля H выражена в эрстедах, то

H·рад/с. Компоненты вектора Р описываются выражениями

Решение ур-ния (7) показывает, что спин нейтрона s адиабатически следует за направлением поля Н, если скорость поворота поля H в пространстве (угловая скорость поворота H в системе отсчёта, связанной с нейтроном)

Наоборот, если

то спин нейтрона "не успевает" следовать за полем и при повороте H на p изменяет свою ориентацию относительно H на противоположную, сохраняя свою ориентацию в пространстве. Такое изменение ориентации спина нейтрона относительно поля H представляет собой неадиабатич. процесс.

Экспериментальные методы. Поляризатор

Впервые поляризованные нейтроны были получены пропусканием тепловых нейтронов через намагниченную до насыщения железную пластину (мишень) в 1936 (Ф. Блох, F. Bloch), однако наиб. интенсивно этот метод использовался в кон. 40-х гг., когда появились ядерные реакторы. В основе метода лежит интерференция ядерного и магн. рассеяний нейтрона (см. Нейтронография ).Зависимость сечения рассеяния нейтронов в магнетике от ориентации спина относительно поля Н определяется т. н. магн. амплитудой рассеяния нейтронов. Полная амплитуда рассеяния нейтронов на атоме складывается из амплитуды рассеяния нейтронов на ядре

которая не зависит от ориентации спина s нейтронов, если ядра мишени не поляризованы, и магн. амплитуды рассеяния

(рассеяния нейтронов на атомных электронах). Последнее имеет место, если атом обладает отличным от 0 магн. моментом, и обусловлено взаимодействием магн. моментов нейтрона и атома. Суммарная амплитуда рассеяния

+ +

Знак магн. амплитуды

зависит от взаимной ориентации магн. моментов (спинов) атома и нейтрона, поэтому полная амплитуда оказывается различной для 2 спиновых компонентов неполяризов. пучка, а следовательно различными являются и сечения рассеяния.

Т. к. сечения взаимодействия нейтронов с атомами мишени заметно отличаются для 2 спиновых состояний нейтронов, то при пропускании пучка через мишень выходящий пучок будет обогащён тем спиновым состоянием, сечение взаимодействия которого меньше, т. е. пучок нейтронов окажется частично поляризованным. Сечение взаимодействия нейтронов с атомами Fe больше, когда спины нейтронов параллельны направлению намагниченности Fe, такие нейтроны сильнее выводятся из пучка вследствие рассеяния, и прошедший через пластину пучок становится частично поляризованным в направлении, противоположном Н. Пропуская пучок тепловых нейтронов через пластину холоднокатаной стали толщиной

2 см, намагниченной в направлении прокатки (выделенное направление), можно получить степень поляризации пучка P

0,4. Использование больших толщин приводит к уменьшению интенсивности и даёт незначит. выигрыш в степени поляризации. Поэтому оптимизировать нужно не только степень поляризации Р, но и интенсивность пучка I, а в ряде случаев и время нахождения нейтрона в области взаимодействия. Точность измерений определяется величиной

где

- длина волны нейтронов.

Более высокую степень поляризации (без потери в интенсивности) можно получить, используя железо, обогащённое изотопом

Недостаток метода - ограниченность энергетич. диапазона, т. к. в области резонансных нейтронов метод неэффективен. В случае ультрахолодных нейтронов (УХН) в качестве поляризатора можно применять тонкую намагниченную ферро-магн. плёнку. Один из компонентов пучка будет испытывать полное отражение, а второй пройдёт через плёнку (см. Нейтронная оптика).

Для поляризации нейтронов используют также пропускание поляризов. пучка нейтронов через поляри-зов. ядерную мишень (см. Ориентированные ядра). Наиб. эфф. поляризатором является поляризов. водородная мишень (Ф. Л. Шапиро, 1964). При этом можно достигнуть широкого диапазона энергии - от холодных нейтронов до100 кэВ.

Монохроматич. Поляризованные нейтроны получают методом дифракции нейтронов на намагниченных ферромагн. монокристаллах. Создавая условия, при которых амплитуды ядерного и магн. рассеяний нейтронов равны по абс. величине, суммарную амплитуду рассеяния для одного из компонентов падающего на кристалл пучка нейтронов делают равной 0. В дифракции участвует др. компонент, поэтому дифракц. пучок оказывается практически полностью поляризованным: P

0,98 (см. Магнитная нейтронография).

Метод полного отражения

Взаимная компенсация амплитуд ядерного и магн. рассеяний нейтронов лежит также в основе метода получения поляризованных нейтронов путём полного отражения от намагниченных ферромагных зеркал. Если

- ядерная и магнитная длины рассеяния нейтронов (длины рассеяния отличаются от амплитуд знаком), то можно показать, что длина магн. рассеяния равна

где

- индукция насыщения, Н - намагничивающее поле,

- энергия нейтронов, l - длина волны нейтронов в вакууме, N - число ядер в единице объёма рассеивателя. Показатель преломления на границе вакуум - вещество зависит от суммарной длины рассеяния

Верхний знак соответствует случаю параллельности направлений Н и спина нейтрона, нижний - антипараллельности. Критич. угол полного отражения нейтронов, падающих на зеркало, равен

Если

то, согласно (11) и (12), полное отражение возможно лишь для одного спинового компонента - отражённый пучок будет поляризован параллельно направлению намагничивания зеркала. Как и в случае дифракции, метод полного отражения позволяет получить высокую степень поляризации пучка нейтронов.

Для транспортировки пучков от нейтронного поляризатора к мишени используют т. н. ведущие магн. поля (магнитопроводы), в которых обеспечивают выполнение условия адиабатичности

(см. выше). При помощи таких полей можно изменять пространств. ориентацию P без потери степени поляризации Р. Напр., вертикальное направление P можно перевести в горизонтальное или наоборот.

Поляризующий нейтроновод

Метод полного отражения нейтронов используется для создания поляризующих нейтроноводов (достаточно сделать поляризующим лишь один участок нейтроновода). Испытывая полное отражение от внутренних стенок нейтроновода, пучок нейтронов транспортируют на большие расстояния от источника нейтронов (ядерного реактора). При полном отражении нейтронная волна проникает внутрь материала стенки на очень небольшое расстояние, ввиду чего поглощение нейтронов сказывается слабо. Потери тепловых нейтронов при транспортировке по зеркальным нейтроноводам составляют ок. 1% на 1 погонный метр, что позволяет изготовлять нейтро-новоды длиной до 100 м.

Однощелевой (одноканальный) поляризующий нейтроновод (рис. 1) отличается от обычного нейтроновода тем, что на отражающую нейтроны стеклянную поверхность 3 методом распыления нанесён слой Со-Fe (сплав). Он легко намагничивается до насыщения и обеспечивает равенство величин магнитной и ядерной амплитуд рассеяния

При этом полное внутр. отражение возможно только для одного спинового компонента. Чтобы уменьшить влияние отражения нейтронов др. спинового состояния от стеклянной основы, на неё нанесён поглощающий подслой. Степень поляризации P достигает 97%.

Секция многощелевого (многоканального) поляризующего нейтроновода (рис. 2) содержит пакет тонких стеклянных пластин 3, покрытых с обеих сторон слоями смеси Со (60%) и Fe (40%) и разделённых прокладками. Ширина пучка нейтронов а = 3 см. Изгибая нейтроно-вод (винт), можно регулировать граничную длину волны нейтронов, способных испытывать полное отражение от стенок.

Анализатор поляризованных нейтронов

Степень поляризации P измеряют, используя анализаторы поляризации. Обычно анализатор устроен аналогично поляризатору. Если поляризатор - намагниченное ферромагн. зеркало со степенью поляризации отражённого пучка

то анализатор - также зеркало с поляризующими свойствами

Это степень поляризации пучка, отраженного от анализатора, если на него падает пучок, вышедший из поляризатора, но деполяризованный. В общем случае

В пространстве между поляризатором p анализатором помещают т. н. флиппер-устройство, в котором создаются условия для неадиабатич. спинового перехода

_ при котором направление поляризации пучка P реверсируется относительно направления ведущего поля. Таким устройством может служить плоская фольга (А1), через которую пропускают ток. Направление магн. поля, создаваемого током, изменяет ориентацию спина на малом расстоянии (на толщине фольги

0,1 мм). Если флиппер выключен, в простран-сгве между поляризатором и анализатором выполняется условие

(адиабатичность). Если включается флиппер, то ведущие поля до флиппера и после него имеют противоположные направления. Неадиабатич, переход осуществляется только в самом флиппере. Пусть

- вероятность изменения ориентации спина нейтрона на противоположную относительно направления ведущего поля. В адиабатич. областях

= 0. В неадиабатич. области

0. Полному реверсированию соответствует

= 1. За анализатором устанавливается нейтронный детектор, чувствительность которого от состояния поляризации не зависит (рис. 3). Если I - скорость счёта детектора, когда флиппер выключен, т.е. изменения ориентации спина нейтронов относительно ведущего поля не происходит (

= 0), а

- скорость счёта при включённом флиппере

то имеет место соотношение

Вместо флиппера можно использовать устройство, которое полностью деполяризует пучок нейтронов, в этом случае

В качестве деполяризатора обычно применяют ненамагниченную железную фольгу (шим). Неупорядоченность направлений намагниченности доменов в шиме и соответственно направлений спиновой прецессии приводит к полной деполяризации пучка нейтронов при толщине шима 0,1-0,3 мм. В этом случае выполняется соотношение

Зная

и пользуясь выражениями (13) или (14), можно найти

Наиболее точный и при этом абсолютный метод измерения P основан на эффекте Штерна - Герлаха. Пучок нейтронов пропускают через область с неоднородным магн. полем, в результате чего он расщепляется на 2 пучка, обладающих противоположными направлениями поляризации P (см. Штерна - Герлаха опыт). Отношение интенсивностей этих пучков определяет степень поляризации падающего пучка нейтронов. Такое устройство применяют для создания полностью поляризованных пучков нейтронов, но светосила этого метода невелика, т. к. для полного разведения пучков в пространстве необходимо использовать узкие, сильно кол-лимированные пучки частиц.

Разработаны спец. анализаторы, позволяющие исследовать изменение как степени поляризации пучка нейтронов Р, так и направления его поляризации P после прохождения через образец.

Применение поляризованных нейтронов

Поляризованные нейтроны используются в ядерной физике для изучения спиновой зависимости нейтронных сечений, измерения амплитуд когерентного и некогерентного рассеяний нейтронов (см. Нейтронография структурная ),а также для исследования таких фундам. проблем, как несохранение пространственной чётности в ядерных реакциях, поиск нарушения временной инвариантности, определение угловой корреляций в бета-распаде свободных нейтронов, поиске электрич. заряда и электрического дипольного момента нейтрона и т. д. В физике твёрдого тела поляризованные нейтроны позволяют изучать магн. структуры, конфигурации неспаренных электронов (спиновую плотность) в магнетиках (см. Магнитная нейтронография ),измерять магн. моменты отд. компонентов в сплавах, исследовать кинетику фазовых переходов, ядерных релаксационных процессов, миграцию спинового возбуждения, в т. ч. в неупорядоченных спиновых системах, идентифицировать короткоживущие дефекты в кристаллах, исследовать спиновые волны в магнетиках и т. д.

Литература по поляризованным нейтронам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.