«ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ !••• n t: и • • •' Дубна РЗ-2000-70 Е.В.Лычагин, А.Ю.Музычка, В.В.Несвижевский*, Г.В.Нехаев, А.В.Стрелков ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОГО ...»

XJ0000107

m

ОБЪЕДИНЕННЫЙ

ИНСТИТУТ

ЯДЕРНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

!••• n t: и • • •'

Дубна

РЗ-2000-70

Е.В.Лычагин, А.Ю.Музычка, В.В.Несвижевский*,

Г.В.Нехаев, А.В.Стрелков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА

ВОЗМОЖНОГО ПОДБАРЬЕРНОГО

ПРОНИКНОВЕНИЯ УХН

СКВОЗЬ ГЕРМЕТИЧНЫЕ ФОЛЬГИ

Направлено в «Письма в ЖЭТФ»

•"Институт Лауэ — Ланжевена, Гренобль, Франция 31/33 Исследование аномалии в хранении ультрахолодных нейтронов (УХН) в замкнутых сосудах (большое несоответствие между расчетным и экспериментальным временами хранения [1]) в настоящее время превратилось в не менее интересную проблему, чем даже само предполагаемое использование долгого удержания УХН для ряда фундаментальных экспериментов. При исследовании аномалии в хранении УХН был проделан ряд экспериментов для выяснения путей утечки УХН из сосудов. В принципе, одним из предполагаемых каналов утечки УХН могло бы быть подбарьерное проникновение УХН сквозь или в стенки сосуда. В эксперименте [2] наблюдаемое прохождение УХН сквозь бериллиевую фольгу оказалось результатом частичного разогрева хранящихся УХН [3,4] и, таким образом, обычным надбарьерным прохождением УХН сквозь фольгу .

В более позднем эксперименте [5] наблюдалось просачивание УХН сквозь напыленные слои бериллия, циркония и сплава никель-молибден толщиной 0,2-^3 мкм, что могло бы быть объяснено присутствием микропор в напыленных слоях .

Установить наличие таких технологических несовершенств методом простой проверки слоев на вакуумную плотность было невозможно, поскольку слои напылялись на подложку из алюминия. К тому же в этом эксперименте постоянно присутствовал принципиально неубираемый фон от ультрахолодных нейтронов, немного увеличивающих свою энергию в процессе хранения (см .

[3,4]), который ограничивал чувствительность использовавшегося метода к вероятности проникновения на удар о поверхность слоя на уровне ~10" .

Появились в последнее время и некоторые теоретические работы [6-9], предсказывающие проникновение УХН сквозь потенциальный барьер, во много раз превышающее величину квантово-механического туннельного эффекта .

Для внесения ясности в вопрос проникновения УХН сквозь стенки (по крайней мере, для определения роли этого процесса в аномалии хранения УХН) был выполнен эксперимент, в котором точность определения верхней границы подбарьерного пропускания тонкой фольги улучшена на два порядка .

1. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Ультрахолодные нейтроны от источника поступают к установке по нейтроноводу из нержавеющей стали (]). Нейтроны облучают вакуумно-плотную бериллиевую фольгу (2) толщиной 15 мкм и площадью 63 см2, отделяющую входной нейтроновод от объема хранения (3). Входной нейтроновод может перекрываться шибером (4), который исключает попадание медленных нейтронов любых энергий из нейтроновода в установку .

Объем хранения — сфера из меди диаметром 39 см, на выходе из которой расположена медная поворотная заслонка (5), служащая для запирания УХН внутри объема. Сфера откачивается до остаточного давления газа ~10"3 мбар .

Объем хранения обезгаживался в течение 6 часов при температуре 110-150°С .

К выходу из объема хранения, расположенному в нижней части сферы, через нейтроновод, аналогичный входному, подсоединен детектор УХН (б) — газоразрядный счетчик с 3Не (давление ~10 торр) и тонким (100 мкм) алюми

<

УХН

Рис.1. Схема установки:

1 — входной нейтроновод; 2 — бериллиевая фольга; 3 — объем хранения; 4 — шибер; 5 — поворотная заслонка; 6 — детектор УХН ниевым окном. Детектор находится на ~60 см ниже дна объема хранения и окружен нейтронной защитой из кадмия и борсодержащей резины. Электронная эффективность детектора к нейтронам — 80%, а фон при закрытом шибере:

(8,8±0,6)-10"4с"1. Во время измерений работа детектора контролировалась по амплитудному анализатору .

2. Идея постановки эксперимента заключается в том, чтобы проникающие каким-либо образом под потенциальным барьером фольги нейтроны могли бы накапливаться в объеме хранения. Надбарьерные для бериллиевой фольги нейтроны, легко проникающие через фольгу, накапливаться не могут, поскольку граничная энергия фольги значительно превышает граничную энергию стенок объема хранения (Ецт ве~249 нэВ, Ецтси=168 нэВ). Зная число накопленных в объеме хранения нейтронов за время At, поток нейтронов с энергией, не превышающей Ентси, на поверхность входной фольги за это же время At, время хранения нейтронов в сосуде, а также времена наполнения и вытекания, можно определить вероятность подбарьерного проникновения УХН сквозь фольгу за один удар .

Процедура измерения состоит из циклически повторяющейся последовательности:

- открывается шибер (выходная заслонка закрыта), и поток УХН в течение Atfin=40 с облучает бериллиевую фольгу. Идет накопление нейтронов, возможно, проникающих в объем хранения под потенциальным барьером фольги;

=

- шибер закрывается, и в течение Atciear 10c происходит "чистка" объема хранения от нейтронов, энергия которых превышает граничную энергию стенок сосуда (нейтроны с энергией больше Ен т с и, проникнувшие в объем, могут несколько раз удариться о стенки прежде чем покинут объем хранения);

- открывается выходная заслонка и накопленные нейтроны, если они есть, вытекают из объема хранения в детектор за время Д1;Пу=15 с;

- заслонка закрывается и следующие 40 с считается фон детектора .

Контрольным измерением является аналогичное измерение, в котором позади бериллиевой фольги устанавливается 14-микронная медная фольга. Эта фольга уменьшает вероятность проникновения подбарьерных для меди нейтронов в объем хранения на много порядков, но практически не влияет на высокоэнергетичные нейтроны, а значит и на любые процессы, ведущие к систематической ошибке, с ними связанные. Возможность разностного измерения позволяет избежать этих ошибок .

Для определения потока УХН с энергией меньше Ент си на бериллиевую фольгу вход и выход объема хранения меняются местами, а вместо фольги (теперь уже на выходе) устанавливается толстая медная мембрана с небольшим отверстием известной площади (0,21 см2), через которое ведется мониторирование плотности УХН внутри объема хранения .

По изменению скорости счета детектора во время наполнения можно определить постоянную наполнения объема хранения тпн, а после закрытия шибера и заслонки — постоянную времени хранения xstOrОпределив плотность нейтронов в объеме хранения в момент закрытия входной заслонки (5 УХН/см2), экстраполируя кривую хранения к соответствующему моменту времени t и зная хт\ и TstOr, можно определить поток нейтронов с энергиями меньше Ецтси на входе в установку. Время вытекания хранящихся нейтронов определялось в отдельном измерении (без мембраны на выходе) .

3. На рис. 2 представлены полученные зависимости скорости счета детектора во время цикла как в измерении с бериллиевой фольгой, так и в измерении с одновременной постановкой бериллиевой и медной фолы. Различие в потоках "надбериллиевых" нейтронов, проникающих в детектор, во время наполнения (первые 40 секунд) обусловлено тем, что во втором измерении щель в выходной заслонке была увеличена. Это увеличение носило технический характер и никак не повлияло на измерения. Ниже на рисунке 2 приведена разность этих двух измерений (предварительно из каждого вычтен соответствующий фон) .

Число накапливаемых за цикл нейтронов в измерениях с фольгой на входе составило:

- (1,0+0,2)-10"2 нейтрона/цикл в измерениях с одной бериллиевой фольгой;

- (1,6±0,4)-10~2 нейтрона/цикл в измерениях с двумя фольгами, бериллиевой и медной .

Из разницы между этими измерениями с учетом потерь накопленных нейтронов во время Atcicar и Atsiiv вычисляется вероятность подбарьерного проникновения, которая составила (-1,2±1,0)-10'8 на удар о поверхность бериллиевой фольги для нейтронов с энергией в диапазоне ~(40-г160) нэВ (нижняя граница обусловлена свойствами источника УХН) .

–  –  –

Рис.2 Треугольники — скорость счета детектора в измерении с 15-микронной бериллиееой фольгой на входе; ромбы — скорость счета детектора в измерении с 15-микронной бериллиееой и 14-микронной медной фольгами на входе; кружки—разность двух измерений (предварительно из каждого вычтен соответствующий фон)

4. Существует ряд процессов, приводящих к методическим погрешностям, в данной постановке эксперимента .

Во-первых, это процессы проникновения нейтронов с энергией менее Ецтси в объем хранения, минуя потенциальный барьер фольги, как через микроотверстия в самой фольге, так и в обход фольги. В эксперименте герметичность фольги проверялась при помощи гелиевого течеискателя. Получено ограничение на возможную площадь отверстий (~1,5-10"14 см2), что полностью исключает прямой проход через микроотверстия. Принципиально не исключена возможность проникновения нейтрона в обход фольги через тефлоновые уплотнения и воздушный промежуток .

Во-вторых, к систематическому увеличению счета накапливаемых нейтронов должен вести недавно обнаруженный процесс охлаждения УХН [10,11] .

Нейтроны, с энергией больше граничной энергии бериллиевой фольги, легко проникающие сквозь нее, могут уменьшить свою энергию при выходе из фольги или при ударе о противоположную стенку объема хранения до энергий, не превышающих Ецт сиОткрытие и закрытие шибера в установке происходит с заметным ударным воздействием на установку. Кроме того, в реальных измерениях после фольги на входе в объем хранения стояла поворотная заслонка, аналогичная выходной, которая открывалась только на время наполнения. Охлаждение надбарьерных нейтронов при взаимодействии со стенками объема хранения во время удара шибера или при взаимодействии с достаточно быстро двигающейся заслонкой могут также быть источником систематической погрешности .

Все перечисленные методические эффекты (кроме тех, которые связаны с микроотверстиями в фольге, площадь которых оценена экспериментально) компенсируются в нашем эксперименте, поскольку вероятность проникновения определяется из разности двух измерений: с одной бериллиевой фольгой и с двумя фольгами на входе — бериллиевой и медной. Кроме того, специально проведенные измерения с медленно вращающейся заслонкой дали результат (1,5±0,5)-10' нейтрона/цикл, что совпадает в рамках статистики с измерениями, в которых заслонка двигалась быстро .

5. Использованная в работе методика представляется наиболее чувствительной к подбарьерному проникновению УХН сквозь тонкие пленки. Прямое, а не разностное измерение после устранения описанных выше методических погрешностей эксперимента позволит увеличить точность более чем на порядок при прочих равных условиях. Дальнейшее увеличение точности измерений в данной постановке возможно при использовании большей поверхности фольги, "освещаемой" нейтронами, увеличении времени хранения нейтронов, уменьшении фона детектора и использовании большего потока УХН. Для изучения проникновения нейтронов с энергиями, вплотную примыкающими к границе потенциального барьера, можно использовать описанную выше методику на установке типа гравитационного спектрометра, описанного в [10] .

Полученное нами ограничение на вероятность прямого проникновения сквозь барьер (-1,2+1,0)-10" значительно меньше вероятности аномальных потерь на бериллии (~10" на удар) .

Гипотезы, объясняющие аномально большие потери при хранении УХН на бериллии подбарьерным прохождением, как правило, ничего не говорят о судьбе нейтрона, кинетическая энергия которого меньше высоты потенциального барьера, но все же оказавшегося в области под барьером. В связи с тем, что время жизни нейтрона под барьером может быть много меньше времени проникновения, отсутствие пропускания фольг оставляет возможность различным теоретическим гипотезам. В настоящее время на холодных нейтронах продолжают предприниматься попытки измерения вероятности аномального подбарьерного проникновения внутрь (а не сквозь) барьера [12], однако достигнутая на сегодняшний день точность эксперимента находится на уровне 10"4 .

Работа выполнена на реакторе ILL (Гренобль, Франция), инструмент PF2 .

Авторы признательны П. Гельтенборту, Т. Бреннеру и обслуживающему персоналу за квалифицированную помощь .

Литература

1. В. П. Алфименков, В. В. Несвижевский, А. П. Серебров и др.// Письма в ЖЭТФ, 55, 92 (1992) .

2. В. Е. Варламов, П. Гельтенборт, В. В. Несвижевский и др.//Письма в ЖЭТФ, 66, 317 (1997) .

3. V. V. Nesvizhevsky, P. Geltenbort, A. V. Strelkov et al.// ILL Annual Report 97 .

4. В. В. Несвижевский, А. В. Стрелков, П. Гельтенборт и др.// ЯФ, 1999, Т. 62, №5, с. 832препринт ОИЯИ, Р-98-79, Дубна 1998 .

5. P. Geltenbort, D. G. Kartashov, A. G. Kharitonov et al.// ILL Experimental report, № 3-14A. P. Serebrov// Proc. 5-th Int. Semin. Interact, of Neutrons with Nuclei, Dubna, 1997, JINR publ. pp 67-70 .

7. V. K. Ignatovich, M. Utsuro// Phys. Lett. A 225 (1997) 195-202 .

8. V. G. Nosov, A. Frank// Phys. Rev. A vol. 55 №2, 1997, p. 1129-1139 .

9. Yu. A. Alexandrov// Proc. 7-th Int. Semin. Interact, of Neutrons with Nuclei, (ISIN-7), Dubna, 1999, JINR publ. pp 282-286 .

10.A. V. Strelkov, V. V. Nesvizhevsky, P. Geltenbort et al.// NIMA 440, pp.695-703; Pis'ma v ZhETF, vol.70, iss.3,pp.l75-180; препринт ОИЯИР-3-99-71, Дубна 1999 .

U.S. Arzumanov, L. Bondarenko, S. Chernyavsky et. al.// Proc. 6-th Int. Semin. Interact, of Neutrons with Nuclei (ISIN-6), Dubna, May 13-16, 1998, pp. 108-116 .

12.Utsuro, V. K. Ignatovich // Phys. Lett. A 246 (1998) 7-15 .

–  –  –

Измерен верхний предел вероятности ультрахолодных нейтронов с энергией, не превышающей граничную энергию меди ( l i m C u = 168 нэВ) сквозь 15-микронную вакуумно-плотную бериллиевую фольгу ( l i m в е = 249 нэВ), который составил (-1,2±1,0)-10~ 8 на удар .

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики им. И.М.Франка ОИЯИ .

Препринт Объединенного института ядерных исследований. Дубна, 2000 Перевод авторов

–  –  –

The sub-barrier penetration probability of ultracold neutrons through 15 um thick vacuum-tight beryllium foil (limiting energy for beryllium — E]im B e = 249 neV) have been measured in special experiment. The probability was found to be (-1.2+1.0)-10" 8 per collision for neutrons with energy under 160 neV .

The investigation has been performed at the Frank Laboratory of Neutron Physics, JINR .

Preprint of the Joint Institute for Nuclear Research. Dubna, 2000 Редактор Е.Ю.Шаталова. Макет Н.А.Киселевой

–  –  –

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований