устройство для адиабатического радиочастотного переворота спина поляризованных нейтронов

Формула изобретения

Устройство для адиабатического радиочастотного переворота спина поляризованных нейтронов, содержащее первую катушку, создающую переменное магнитное поле, и вторую катушку, создающую постоянное магнитное поле, отличающееся тем, что первая катушка создает переменное магнитное поле, перпендикулярное пролету нейтронов, и составлена из двух расположенных симметрично однослойных катушек, каждая из которых выполнена в виде однослойной спирали, противоположные сегменты которой изогнуты под прямым углом к плоскости спирали, и этими сегментами катушки установлены напротив друг друга, причем каждая однослойная катушка помещена в герметичный контейнер из диэлектрического материала, выполненный по форме катушки, и контейнеры имеют воздуховоды для обеспечения сообщения с воздушной средой, первые катушки размещены внутри второй катушки, выполненной в виде соленоида, и она создает постоянное магнитное поле, параллельное пролету нейтронов.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к области экспериментальной физики и предназначено для переворота спина поляризованных нейтронов при проведении исследований с использованием нейтронных пучков.

Известны устройства (флипперы) для переворота спина поляризованных нейтронов, описанные в работе [1] (Способ неадиабатического поворота спина нейтронов. Номер публикации 1358640, регистрационный номер заявки 1724299/25). Способ и устройство, реализующие его, используются для обеспечения поворота спина нейтрона на произвольный угол относительно направления магнитного поля. Суть изобретения заключается в том, что область раздела магнитных полей различных направлений создают с помощью сверхпроводящего экрана малой толщины. Проходя через экран, нейтроны не успевают изменить направление спина, поскольку скорость прецессии спина значительно меньше скорости изменения направления магнитного поля в системе координат движущегося нейтрона. Недостаток таких устройств - необходимость поддерживать экран в сверхпроводящем состоянии (обеспечить температуру экрана менее 20 градусов Кельвина) при помощи громоздких и очень дорогих криогенных установок.

Известны устройства, использующие радиочастотный резонансный метод для неадиабатического переворота спина поляризованных нейтронов [2], работающие при комнатной температуре. Недостаток таких устройств - переворот спина поляризованных нейтронов в узкой области скоростей (длин волн) нейтронов.

Известны (и в настоящее время широко используются) устройства высокочастотных (радиочастотных) адиабатических флипперов спина нейтронов, обеспечивающие эффективный переворот спина нейтронов в широком диапазоне длин волн. Эти устройства (совместно с источниками питания) создают на определенной длине пролета нейтронов (пролетной базе) два вида магнитных полей, ортогональных друг другу: первое - переменное (осциллирующее) поле H₁, напряженность которого меняется вдоль пролетной базы по закону, близкому к Гауссиану, и второе - постоянное поле Н₀ , напряженность которого в этой же области меняется линейно.

Такие устройства описаны в работах [3] и [4].

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для адиабатического радиочастотного переворота спина поляризованных нейтронов, описанное в работе [5]: В.Н. Слюсарь, В.А. Князьков, А.Н. Пирожков, Препринт ПИЯФ, N1164 (1986), 16.

Устройство содержит одну катушку, выполненную в виде соленоида, расположенную на пучке так, что ось соленоида совпадает с направлением пролета нейтронов. К обмотке соленоида подключается генератор переменного тока для создания необходимого осциллирующего магнитного поля H ₁, направление которого параллельно направлению пролета нейтронов.

Другая катушка устройства представляет собой катушки Гельмгольца, расположенные по внешним сторонам соленоида. К выводам катушек подключается источник питания постоянного тока, обеспечивающий необходимую напряженность постоянного магнитного поля Н₀, направление которого перпендикулярно направлению пролета нейтронов.

Работает устройство следующим образом. Если H₁ отсутствует, а присутствует только поле Н₀ (генератор переменного тока выключен), поляризованные нейтроны пролетают без изменения спина. При наличии H₁ (генератор переменного тока включен) спин поляризованных нейтронов изменяется на обратный. Устройство предназначено для работы при нормальном атмосферном давлении.

Все известные устройства для адиабатического радиочастотного переворота спина поляризованных нейтронов, а также и прототип, обычно располагаются в непосредственной близости от мишени, т.к., чем дальше от них отстоит устройство, тем больше вероятность потери поляризованных нейтронов (деполяризации).

Проблема уменьшения потерь интенсивности потока поляризованных нейтронов вдоль всего пути следования (от излучателя до мишени) весьма актуальна. Во многих физических установках расстояние от излучателя до мишени составляет десятки метров. Для уменьшения потерь интенсивности поляризованного нейтронного потока в настоящее время широко используются нейтроноводы (короба прямоугольного сечения), изготовляемые из особых зеркал, отражающих нейтроны, и не позволяющие нейтронам выйти из короба. Обязательным условием для эффективной работы нейтроновода является создание постоянного магнитного поля вдоль пути пролета нейтронов (поле подмагничивания Н_п), совпадающего по направлению с поляризацией, которую нужно провести. В этом случае зеркальное отражение от стенок нейтроновода испытывают только нейтроны с необходимым спином. Присутствие постоянных магнитных полей, по направлению не совпадающих с полем подмагничивания, приводит к уменьшению поляризации [6].

Поэтому при размещении устройства-прототипа в физической установке с нейтроноводами будет резко уменьшаться интенсивность потока поляризованных нейтронов с необходимым спином (деполяризация) из-за наличия постоянного поля Н ₀, перпендикулярного направлению пролета нейтронов.

Нейтроноводы располагаются в вакуумированном объеме (для уменьшения потерь интенсивности потока нейтронов), вакуум не высокий - порядка 1 мм рт.ст. Устройства для переворота спина нейтронов располагаются снаружи нейтроновода в том же вакуумированном объеме. При размещении устройства-прототипа в объеме с невысоким вакуумом возникают также две проблемы.

Первая заключается в том, что для обеспечения необходимой напряженности осциллирующего поля H ₁ на выводы первой катушки (соленоида) необходимо подать напряжение порядка нескольких киловольт при частоте порядка 100 килогерц, и при этом в большинстве случаев возникает коронный разряд между выводами и витками соленоида (разряд возникает из за того, что в объеме еще присутствуют остатки газа, молекулы которых способны к ионизации, а длина пробега ионизированных частиц на порядки больше, чем при нормальном атмосферном давлении). Указанное выше обстоятельство приводит к резкому понижению надежности работы устройства в объеме с невысоким вакуумом (а в большинстве случаев к невозможности использования устройства).

Вторая проблема заключается в сложности отвода тепловой мощности, выделяемой на обмотке соленоида. Эта мощность достигает сотен ватт, и из-за отсутствия конвекции газа внутри вакуумированного объема происходит недопустимый перегрев обмотки, что в свою очередь резко понижает надежность работы устройства.

Таким образом, совокупность этих факторов при применении устройства-прототипа в нейтроноводных системах (используемых для уменьшения потерь интенсивности поляризованных нейтронов) приводит к техническим противоречиям, уменьшающим степень поляризации нейтронов и ухудшающих надежность работы устройства.

Задачей разработки данного устройства является разрешение этих технических трудностей, а именно - уменьшение степени деполяризации поляризованных нейтронов на пути следования их в нейтроноводах и повышение надежности работы устройства.

Решение поставленной задачи достигается благодаря тому, что по сравнению с известным устройством для адиабатического резонансного переворота спина поляризованных нейтронов, содержащим первую катушку, создающую переменное магнитное поле, и вторую катушку, расположенную снаружи первой катушки и создающую постоянное магнитное поле, новым является то, что первая катушка создает переменное магнитное поле, перпендикулярное пролету нейтронов, и составлена из двух расположенных симметрично однослойных катушек в виде спирали, противоположные сегменты которой изогнуты под прямым углом к плоскости спирали, и этими сегментами катушки установлены напротив друг друга, причем каждая однослойная катушка помещена в герметичный контейнер из диэлектрического материала, выполненный по форме катушки, и контейнеры имеют отверстия и воздуховоды для обеспечения сообщения с воздушной средой, и первые катушки размещены внутри второй катушки, выполненной в виде соленоида, и он создает постоянное магнитное поле, параллельное направлению пролета нейтронов, причем все устройство размещено в вакуумированном объеме.

Совокупность заявляемых признаков позволяет устранить технические противоречия, свойственные для известного устройства. Авторами неочевидным путем решена проблема создания ортогональных магнитных полей, что необходимо для переворота спина нейтронов. Но при этом конструктивные особенности катушек таковы, что исключается постоянное магнитное поле, направление которого перпендикулярно направлению пролета нейтронов.

Эскиз предлагаемого устройства изображен на фиг.1. Фиг.2 - фотография основных узлов устройства (7 - генератор радиочастотного тока в катушках 1). Фиг.3 - фотография первых катушек для создания переменного магнитного поля, перпендикулярного направлению пролета нейтронов.

В соответствии с формулой изобретения и предлагаемыми фигурами заявляемое устройство содержит: катушку 1, предназначенную для получения переменного магнитного поля H₁, перпендикулярного пролету нейтронов (физически катушка 1 состоит из двух одинаковых однослойных катушек, каждая из которых выполнена в виде спирали, противоположные сегменты которой изогнуты под прямым углом к плоскости спирали, причем витки сегментов катушки 1 идут параллельно направлению пролета нейтронов); катушку 2 (соленоид), создающую необходимое постоянное магнитное поле Н₀, параллельное пролету нейтронов; герметичные контейнеры 3 из диэлектрического материала, в которые помещены катушки 1; воздуховоды 4, выполненные в контейнерах 3 для сообщения с внешним пространством; трубки 5, выполненные в контейнерах 3 для вывода во внешнее пространство выводов катушки 1.

Катушка 1, создающая переменное магнитное поле H ₁, перпендикулярное пролету нейтронов, расположена внутри катушки 2, создающей постоянное магнитное поле Н ₀, параллельное пролету нейтронов.

Размеры катушки 1 выполняются в соответствии с размерами нейтроновода, который будет располагаться внутри катушки 1.

На фиг.1 изображены также вектора напряженности магнитных полей, создаваемых устройством (совместно с источниками питания): H₁ - вектор напряженности переменного магнитного поля, Н ₀ - вектор напряженности постоянного магнитного поля (линейное изменение Н₀ вдоль пролетной базы обеспечивается благодаря тому, что соленоид имеет большое число витков в начале пролетной базы и малое - в конце ее), Н_п - вектор напряженности магнитного поля, которое подмагничивает нейтроновод по всей его длине для обеспечения минимальных потерь интенсивности поляризованного нейтронного пучка (Н _п создается внешними устройствами, не имеющими отношения к предлагаемому устройству).

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

В пространство, образованное катушками 1, вставляется нейтроновод 6. Как было указано выше, для переворота спина нейтронов необходимо создать два ортогональных друг другу магнитных поля. Катушка 1 в заявляемом устройстве (создающая переменное магнитное поле H₁) подключена к генератору переменного тока. Но в отличие от прототипа эта катушка за счет того, что она состоит из двух одинаковых однослойных катушек, каждая из которых выполнена в виде спирали, противоположные сегменты которой изогнуты под прямым углом к плоскости спирали, будет создавать переменное магнитное поле, перпендикулярное пролету нейтронов. В то время как катушка 2, расположенная снаружи катушки 1, подключена к источнику постоянного тока и создает постоянное магнитное поле Н₀, параллельное пролету нейтронов, в отличие от прототипа.

Переворот спина нейтронов обеспечивается включением питания катушки 1. Когда питание включено, происходит адиабатический переворот спина нейтронов, когда оно выключено, то переворота спина нет.

Так обеспечивается ортогональность магнитных полей, но при этом постоянное магнитное поле Н₀ параллельно подмагничивающему полю Н_п нейтроновода, что исключает возможность деполяризации потока поляризованных нейтронов.

Катушки 1 находятся практически при атмосферном давлении (длина пробега ионизирующих частиц в этих условиях чрезвычайна мала), поэтому исключается возможность возникновения коронного разряда между выводами и витками катушек 1. Продув воздуха через контейнеры 3 при помощи воздуховодов 4 позволяет отвести во внешнее пространство тепловыделение катушек 1.

Контейнеры 3 изготовлены из диэлектрического материала, чтобы не экранировать и не искажать магнитное поле, создаваемое катушками 1.

Таким образом, в заявляемом устройстве (по сравнению с известным) нет постоянного магнитного поля, перпендикулярного вектору поля подмагничивания Н_п нейтроновода и не происходит уменьшения интенсивности потока поляризованных нейтронов (нет деполяризации).

Предлагаемое устройство было разработано для использования на нейтронном пучке реактора FRM Мюнхенского Технического Университета.

Испытание работоспособности устройства было проведено на нейтронном пучке реактора ВВРМ Санкт-Петербургского Института Ядерной Физики (г. Гатчина).

Основной целью испытаний было практическое определение эффективности переворота спина поляризованных нейтронов по всей апертуре пучка (90×220 мм²) в связи с использованием неординарных катушек 1.

Испытания проводились при частоте осциллирующего поля 81 килогерц, амплитудном значении тока в катушках 1-4.5 ампера (амплитудное значение напряжения на выводах катушек при этом было равно 1400 вольт) и постоянном токе в соленоиде 2 - 0.95 ампера. Испытания производились на нейтронном пучке с длиной волны 2.13 ангстрема.

По всему сечению (апертуре) пучка эффективность переворота спина поляризованных нейтронов не хуже, чем 0.995, что свидетельствует о высокой эффективности работы устройства. Аналогичная эффективность переворота гарантируется для нейтронов с большей длиной волны.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Цулая М.И. Способ неадиабатического поворота спина нейтронов. Патент SU. Номер публикации 1358640, 1994, регистрационный номер заявки 1724299/25, 1971, основной индекс МПК G 21 K 1/093.

2. Рамзей Н. Молекулярные пучки. М., ИИЛ, 1960, 411 с.

3. A.N. Bazhenov, V.M. Lobashev, A.N. Pirozhkov, V.N. Slusar, Nucl. Instr. and Meth. A 332 (1993) 535.

4. S.V. Grigoriev, A.I. Okorokov, V.V. Runov, Nucl. Instr. and Meth. A 384 (1997) 453-455.

5. В.Н. Слюсарь, В.А. Князьков, А.Н. Пирожков: Препринт ПИЯФ N1164 (1986), 16 - прототип.

6. Ю.Г. Абов, А.Д. Гулько, П.А. Крупчицкий. Поляризованные медленные нейтроны. М.: Атомиздат, 1966.