Нейтронный суперзеркальный поляризатор

Изобретение относится к нейтронному суперзеркальному поляризатору. Поляризатор состоит из трансмиссионного нейтронного поляризатора и второго нейтронного суперзеркального поляризатора, расположенного вплотную к трансмиссионному нейтронному поляризатору. Вновь введенный поляризатор обеспечивает на выходе высокую отрицательную поляризацию пучка в широком угловом диапазоне, превышающем полную угловую ширину падающего на вход этого поляризатора пучка, и который выполнен в виде многоканального нейтроновода с прямыми каналами в виде набора сжатых между собой без воздушных промежутков пластин, которые выполнены из материала, слабо поглощающего нейтроны. Конструкция устройства выполнена таким образом, чтобы нейтроны (-) спиновой компоненты пучка отражались от стенок второго поляризатора с высоким коэффициентом отражения, а нейтроны (+) спиновой компоненты - с низким коэффициентом отражения. Это будет приводить к подавлению пиков (+) спиновой компоненты пучка, ухудшающих поляризацию пучка на выходе первого поляризатора. Техническим результатом является повышение степени поляризации выходного пучка в широком угловом диапазоне, что обеспечивает создание широкоапертурного суперзеркального поляризатора с подавлением вклада (+) спиновой компоненты для любого диапазона падающего пучка нейтронов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области нейтронной физики, в частности, к области исследований магнитных материалов, в рамках решения проблем физики конденсированного состояния вещества.

Известен поляризатор, используемый в установке для исследования малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) SANS-2, описанный в работах: [1] Physica В 156 (1989) рр. 631-638 и [2] Письма в ЖЭТФ, т. 83 (2006) сс. 568-572. Установка расположена в исследовательском центре GKSS (г. Геестахт, Германия). Установка может работать как с поляризованными, так и с неполяризованными нейтронами.

Для работы с поляризованными нейтронами используют многоканальный поляризующий нейтроновод для получения поляризованных нейтронов. Он представляет собой набор зеркальных каналов, изогнутых по окружности. Стенки каналов имеют суперзеркальное поляризующее покрытие, от которого хорошо отражаются нейтроны одной спиновой компоненты и слабо отражаются нейтроны другой спиновой компоненты пучка. Таким образом, прошедший через него нейтронный пучок будет поляризованным. Кроме того, вследствие изгиба каналов поляризатора ось прошедшего пучка будет отклонена от оси падающего на вход поляризатора пучка. Это занимает немало времени при перестройке установки SANS-2 для перехода ее от работы с поляризованными нейтронами к неполяризованным и наоборот.

Известен поляризатор, описанный в работе [3] Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 451 (2000) pp. 474-479. Он применяется в установке МУРН V4, которая расположена в экспериментальном зале нейтронного центра BENSC (г. Берлин, Германия). В этой установке в качестве поляризатора используется V-cavity -нейтронный трансмиссионный суперзеркальный поляризатор и коллиматор. Основные характеристики этого поляризатора: высокий коэффициент пропускания нейтронов основной спиновой компоненты ~ 0.7. Ось прошедшего через поляризатор пучка совпадает с осью падающего. Поляризатор V-cavity состоит из прямого нейтроновода и двух одинаковых длинных поляризующих суперзеркал на кремниевых подложках, размещенных внутри этого нейтроновода. Стенки нейтроновода имеют покрытие из природного никеля (m=1). Ось нейтроновода совпадает с осью пучка, выходящего из селектора. Каждое из зеркал состоит из набора прямоугольных полированных кремниевых пластин (кремниевых подложек), прижатых друг к другу торцами и выстроенных в линию. На поверхности пластин нанесено поляризующее CoFe/Si суперзеркальное покрытие (m=2). Эти пластины ориентированы относительно друг друга так, что образуют две смыкающиеся прямые линии, и ось пучка (нейтроновода) образует с каждой из линий небольшой угол θ=8.33 мрад, а угол между линиями равен 2θ. Угол θ задан соотношением θ=αс⋅λmin, где αс - критугол суперзеркала, λmin=4.8 - минимальная длина волны в нейтронном спектре. V - cavity помещается в магнитную систему, которая обеспечивает насыщающее магнитное поле. Набор пластин заключен в оправу. Нейтроны (+) спиновой компоненты пучка (т.е. нейтроны спины, которых ориентированы параллельно как вектору напряженности поля в магнитной системе, так и вектор напряженности ведущего магнитного поля установки V4) из селектора падают на одну из пластин V-cavity и отражаются от нее под углом, меньшим критического. Затем они отражаются под углом, меньшим критического от стенок нейтроновода с m=1. В результате расходимость пучка нейтронов (+) спиновой компоненты увеличивается, что приведет к поглощению этих нейтронов или в стенках нейтроновода при падении на стенку под углом большим критического, после отражения от кремниевого зеркала или в коллимационной системе. Таким образом, в пучке, прошедшем через V-cavity, количество нейтронов (+) спиновой компоненты будет значительно меньше, чем нейтронов (-) спиновой компоненты, т.е. прошедший пучок, будет иметь отрицательную поляризацию. При этом выходной пучок не отклоняется от своей первоначальной оси. Это важно, т.к. при измерениях с неполяризованными или поляризованными нейтронами не требуется трудоемкая перестройка всей установки.

Недостатки.

V-cavity имеет протяженную длину L=1800 мм, т.к. эта величина задается соотношением L = d/2θ, где d = 30 мм - ширина, используемого в установке нейтронного пучка, а θ = 8.33 мрад. Такую же длину имеет прямой нейтроновод с покрытием стенок из природного никеля (m=1) и магнитная система для V-cavity. Вместе они образуют тяжелый, громоздкий, протяженный узел, сложный в эксплуатации. Например, чтобы перейти к исследованию немагнитных образцов, требуется весь громоздкий поляризатор с магнитной системой вывести из пучка. Кроме того, поляризатор сложен в изготовлении, т.к. выставить и закрепить кремниевые пластины строго в одну линию для каждой, образуя один угол на такой большой длине -1800 мм, сложно.

Наиболее близким к заявляемому устройству является компактный нейтронный трансмиссионный суперзеркальный поляризатор, описанный в статье [4] Journal of Physics: Conf. Ser. 862 (2017) p. 012028. Этот поляризатор рассмотрен в качестве прототипа. Данный поляризатор выполнен в виде набора полированных с обеих сторон пластин из слабопоглощающего нейтроны материала с нанесенным на каждую из сторон каждой пластины нейтронным суперзеркальным поляризующим покрытием (без слоя материала, поглощающего нейтроны), причем пластины прижаты друг к другу торцами и заключены в оправу и расположены под углом друг к другу и к оси пучка нейтронов. Оправа помещена в магнитную систему, обеспечивающую насыщающее магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен плоскостям магнитных слоев суперзеркальной структуры, а также вектору напряженности ведущего магнитного поля установки. Пластины образуют асимметричный ломаный канал, состоящий их двух частей, и таких каналов «N» и эти каналы прижаты друг к другу, образуют стопку, причем угол между частями канала равен θ=θ12, где θ1 и θ2 - углы между осью, падающего на поляризатор пучка и входной и выходной частями асимметричных каналов поляризатора соответственно. Стопка этих асимметричных каналов зажата между двумя ломаными полированными металлическими поверхностями (пуансон и матрица). Пластины прижимаются друг к другу без воздушных промежутков. Количество ломаных асимметричных каналов (пластин) и их ширина определяются требуемым поперечным сечением пучка, используемым в установке. Для нейтронов (-) спиновой компоненты пучка нейтронно-оптические потенциалы слоев этого суперзеркального покрытия и материала пластины близки друг к другу, так что критический угол отражения для суперзеркального покрытия близок к нулю . Для нейтронов (+) спиновой компоненты пучка нейтронно-оптические потенциалы его слоев существенно отличаются друг от друга, так что соответствующий критический угол отражения от суперзеркала достаточно велик.

Прототип работает следующим образом.

Поток неполяризованных нейтронов, выходящий из нейтроновода, имеющий широкие угловые и спектральные распределения, поступает на вход прототипа. Траектории нейтронов (-) спиновой компоненты пучка практически не меняются при прохождении через этот поляризатор, потому что эти нейтроны практически не отражаются от границ «материал пластин - суперзеркало» (т.к. ). Напротив, нейтроны (+) спиновой компоненты пучка отражаются от границ «материал пластин - суперзеркало» (т.к. ) и их траектории испытывают значительные отклонения от первоначальных направлений. Следовательно, число нейтронов (-) спиновой компоненты намного больше, чем у нейтронов (+) спиновой компоненты пучка на выходе поляризатора вблизи оси углового распределения интенсивности. Поэтому прошедший через поляризатор пучок имеет высокую отрицательную поляризацию в диапазоне углов не превышающем +/- 5 мрад.

Критика прототипа.

Недостаток прототипа заключается в том, что в угловом диапазоне, превышающем +/- 5 мрад, поляризация выходного пучка будет низкой из-за того, что на выходе поляризатора присутствует определенная доля (+) спиновой компоненты пучка. Это приводит к снижению качества исследования магнитных образцов (материалов).

Технический эффект заключается в повышении степени поляризации выходного пучка в широком угловом диапазоне, т.е. в создании широкоапертурного суперзеркального поляризатора.

Задача данного изобретения заключается в подавлении вклада (+) спиновой компоненты в выходном пучке для любого диапазона падающего пучка нейтронов.

Технический эффект достигается тем, что в известном нейтронном суперзеркальном поляризаторе, включающем трансмиссионный нейтронный поляризатор, помещенный в магнитную систему, имеющий на выходе высокую отрицательную поляризацию пучка в узком угловом диапазоне, не превышающем полную угловую ширину падающего на вход этого поляризатора пучка, причем поляризатор выполнен в виде набора пластин из слабо поглощающего нейтроны материала с нанесенным на них суперзеркальным поляризующим покрытием с двух сторон, причем пластины прижаты друг к другу без воздушных промежутков, заключены в оправу и расположены под углом друг к другу и к оси пучка нейтронов, образуя асимметричные ломаные каналы, состоящие из двух частей, и таких каналов «N», а угол между частями этих каналов равен θ=θ12, где θ1 и θ2 - углы между осью падающего на поляризатор пучка и входной и выходной частями асимметричных каналов поляризатора соответственно, и весь поляризатор помещен в насыщающее магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен плоскостям магнитных слоев суперзеркального покрытия структуры, а также вектору напряженности ведущего магнитного поля поляризатора новым является то, что в трансмиссионном поляризаторе используется суперзеркальное поляризующее реманентное покрытие, кроме того, дополнительно введен расположенный вплотную к трансмиссионному поляризатору второй нейтронный суперзеркальный поляризатор, который обеспечивает на выходе высокую отрицательную поляризацию пучка в широком угловом диапазоне, превышающем полную угловую ширину падающего на вход этого поляризатора пучка, и который выполнен в виде многоканального нейтроновода с прямыми каналами в виде набора сжатых между собой без воздушных промежутков пластин, которые выполнены из материала слабо поглощающего нейтроны, на обе стороны каждой из которых нанесено суперзеркальное реманентное поляризующее покрытие, а сверху на него -слой материала, поглощающего нейтроны, и характерный угол α2 второго поляризатора равен d2/L2, где d2 и L2 - ширина и длина канала второго поляризатора, соответственно, причем для этого поляризатора количество каналов и их ширина таковы, что поперечное сечение данного поляризатора равно поперечному сечению первого (трансмиссионного) поляризатора, и в обоих поляризаторах за счет перемагничивания обеспечивается антипараллельная ориентация векторов индукции в магнитных слоях их суперзеркальных покрытий, причем направление вектора индукции в магнитных слоях суперзеркального покрытия одного из поляризаторов должно совпадать с направлением вектора напряженности ведущего магнитного поля установки.

Технический эффект достигается также тем, что в известном нейтронном суперзеркальный поляризатор, включающем трансмиссионный многоканальный нейтронный поляризатор, который выполнен в виде набора пластин из слабо поглощающего нейтроны материала с нанесенным на них с двух сторон суперзеркальным поляризующим покрытием, причем пластины прижаты друг к другу без воздушных промежутков, заключены в оправу и расположены под углом друг к другу и к оси пучка нейтронов, образуя асимметричные ломаные каналы, состоящие из двух частей, и таких каналов «N», причем угол между частями этих каналов равен θ=θ12, где θ1 и θ2 - углы между осью падающего на поляризатор пучка и входной и выходной частями асимметричных каналов поляризатора, соответственно, и весь трансмиссионный поляризатор помещен в насыщающее магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен плоскостям магнитных слоев суперзеркального покрытия структуры, а также вектору напряженности ведущего магнитного поля установки, пучок на выходе этого поляризатора имеет высокую отрицательную поляризацию пучка в узком угловом диапазоне углов равном α1, не превышающем полную угловую ширину падающего на вход этого поляризатора пучка, новым является то, что в трансмиссионном поляризаторе используется суперзеркальное поляризующее реманентное покрытие, кроме того, дополнительно введен, расположенный вплотную к трансмиссионному поляризатору, второй нейтронный суперзеркальный поляризатор, который выполнен в виде многоканального нейтроновода с каналами, изогнутыми по окружности в виде набора сжатых между собой без воздушных промежутков пластин, выполненных из материала слабо поглощающего нейтроны, на каждую сторону которых нанесено суперзеркальное поляризующее реманентное покрытие, а сверху на него - слой материала, поглощающего нейтроны, и для которых характерный угол α2=(2d2/L2)0.5 и L2>L20=(8d2ρ)0.5, где ρ и L20 - радиус изгиба и длина прямой видимости канала второго поляризатора, соответственно, причем для этого поляризатора количество каналов и их ширина таковы, что поперечное сечение данного поляризатора равно поперечному сечению первого (трансмиссионного) поляризатора, и при этом оба поляризатора обладают способностью антипараллельной ориентация векторов индукции в магнитных слоях их суперзеркальных покрытий, причем направление вектора индукции одного из поляризаторов должно совпадать с направлением вектора напряженности ведущего магнитного поля установки.

В нейтронном суперзеркальном поляризаторе новым является также то, что трансмиссионный поляризатор выполнен в виде, изогнутого по окружности многоканального поляризующего суперзеркального нейтроновода.

Заявляемая совокупность признаков не известна из источников патентной и научно-технической литературы.

Новый подход к решаемой задаче заключается в том, что параметры канала второго поляризатора выбраны так, что без отражения от стенок этого канала смогут проходить нейтроны лишь в узком угловом диапазоне (например, в диапазоне ~+/-5 мрад). Кроме того, векторы магнитной индукции в магнитных слоях суперзеркальных покрытий этих поляризаторов за счет перемагничивания поляризаторов имеют взаимно противоположное направление, совпадающее для одного из них с вектором напряженности ведущего магнитного поля установки. В этом случае нейтроны (-) спиновой компоненты пучка будут отражаться от стенок второго поляризатора с высоким коэффициентом отражения, а нейтроны (+) спиновой компоненты с низким коэффициентом отражения, что будет приводить к значительному подавлению пиков (+) спиновой компоненты пучка, которые ухудшали поляризацию пучка на выходе первого поляризатора - прототипа. В результате, такая конструкция заявляемого поляризатора позволяет получить на его выходе пучок с высокой отрицательной поляризацией в широком угловом диапазоне, превышающем полную угловую ширину, падающего на вход этого поляризатора пучка.

На фиг. 1 представлена конструкция заявляемого нейтронного широкоапертурного суперзеркального поляризатора. Заявляемый поляризатор состоит из двух частей: поляризаторов I и II. Поляризатор I - прототип, где: 1 - пуансон, 2 - матрица, 3 - поляризующее суперзеркальное реманентное покрытие без слоя, поглощающего нейтроны, 4 - пластины из слабопоглощающего нейтроны материала с полированными поверхностями; 5 - общее основание для обоих поляризаторов. Поляризатор II - многоканальный нейтронный суперзеркальный поляризатор с прямыми стенками, где: 6 - поляризующее суперзеркальное реманентное покрытие, 7 -слой, поглощающий нейтроны. Поляризатор II расположен вплотную к поляризатору I.

На фиг. 2 представлен схематичный вид петли гистерезиса для материала магнитных слоев нейтронного реманентного поляризующего суперзеркала [5-7]: Physica В 267-268 (1999) pp. 320-327; Physica В 297 (2001) pp. 152-154; Physica В 297 (2001) pp. 126-130.

На фиг. 3 показаны расчетные графики угловых распределений интенсивности на входе в поляризатор, интенсивностей (+) и (-) спиновых компонент пучка на выходе из этого трансмиссионного поляризатора, рассмотренного в качестве прототипа и поляризации выходного пучка для длины волны 5.5 [4]. Пластины каналов выполнены из кремния, поляризующее суперзеркальное покрытие - CoFe/TiZr (m=2) [8].

На фиг. 4 представлены графики угловых зависимостей коэффициентов отражения (+) и (-) спиновых компонент пучка от поляризующего суперзеркального реманентного покрытия CoFe/TiZr (m=2) с поглощающим подслоем TiZrGd ([7, 8]: Physica В 297 (2001) рр. 126-130; Journal of Physical Society of Japan v.65, Suppl. A (1996) pp. 195-198) для длины волны 5.5 . Нейтроны (+) и (-) спиновых компонент пучка имеют коэффициент отражения, соответственно, близкий к 1 и близкий к 0, в диапазоне углов от 0 до 21 мрад, т.к. спины нейтронов этих спиновых компонент пучка, соответственно, параллельны и антипараллельны векторам индукции в магнитных слоях суперзеркального покрытия.

На фиг. 5 для конкретного примера конструкции заявляемого поляризатора представлены графики расчетных угловых распределений интенсивности на входе в трансмиссионный поляризатор, интенсивностей (+) и (-) спиновых компонент пучка на выходе второго поляризатора (или всего заявляемого поляризатора) и поляризации выходного пучка для длины волны 5.5 . В обоих поляризаторах используется поляризующее суперзеркальное реманентное покрытие CoFe/TiZr (m=2) и кремниевые пластины. Для поляризатора II на каждое поляризующее покрытие сверху нанесен слой сплава TiZrGd [8], который поглощает нейтроны.

Сущность заявляемой конструкции поляризатора заключается в следующем.

Направление вектора индукции В в магнитных слоях суперзеркальных покрытий поляризатора I, как показано на фиг. 1, направлено перпендикулярно плоскости рисунка внутрь. Это направление совпадает с направлением вектора напряженности ведущего магнитного поля Н установки. Направление вектора индукции В в магнитных слоях суперзеркальных покрытий поляризатора II, как показано на рисунке, направлено перпендикулярно плоскости рисунка наружу. Это направление получено за счет перемагничивания и не совпадает с направлением вектора напряженности ведущего магнитного поля Н установки, являясь по отношению к нему противоположно направленным. Нейтроны (-) спиновой компоненты пучка (на фиг. 1 показаны сплошными линиями) будут отражаться от стенок поляризатора II с коэффициентом отражения R+ близким к 1 (фиг. 4), т.к. индукция магнитных слоев будет параллельна направлению их спинов. Следовательно, эти нейтроны будут проходить через второй поляризатор с высоким коэффициентом пропускания. Нейтроны (+) спиновой компоненты пучка (на фиг. 1 показаны штриховыми линиями) будут отражаться от стенок поляризатора II с низким коэффициентом отражения R- (фиг. 4), т.к. индукция магнитных слоев будет антипараллельна направлению их спинов. Следовательно, пропускание этих нейтронов через такой поляризатор будет в значительной мере подавлено, особенно для больших углов α (угол α отсчитывается от оси углового распределения интенсивности падающего пучка, выходящего из второго поляризатора), превышающих характерный угол α2 данного поляризатора, равный α2=d2/L2, где d2 - ширина канала поляризатора II, L2 - длина этого канала. В этом случае коэффициент отражения будет равен R-n, где n - число отражений от стенок поляризатора II, и n ~ α/α2. Нейтроны, для которых α<α2, могут проходить через поляризатор 2 без отражения от его стенок. Характерный угол α2 поляризатора II выбирается таким образом, чтобы в выходном пучке поляризатора I в диапазоне углов α<α2 присутствовали нейтроны (-) спиновой компоненты пучка и практически не было бы нейтронов (+) спиновой компоненты пучка. В результате, в выходном пучке поляризатора II присутствуют только нейтроны (-) спиновой компоненты пучка, как отразившиеся от его стенок, так и прошедшие через каналы этого поляризатора без отражения. При этом пучок (+) спиновой компоненты в значительной мере будет подавлен, как обсуждалось выше. Таким образом, вышедший из заявляемого поляризатора пучок нейтронов будет обладать высокой отрицательной поляризацией в широком угловом диапазоне, превышающем угловой диапазон пучка, падающего на вход этого поляризатора.

На фиг. 2 представлен схематичный вид петли гистерезиса для материала магнитных слоев нейтронного реманентного поляризующего суперзеркала. Для таких суперзеркал форма петли гистерезиса близка к прямоугольной, т.е. при уменьшении Н от Н0 до Н12 величина индукции +B1 будет незначительно отличаться от максимальной величины индукции В0, соответствующей насыщению, как показано на рисунке. При перемагничивании реманентных суперзеркал при движении по нижней ветви петли при Н=Н12 величина индукции будет равна В = -В2, причем -В2 близка к -В0. Таким образом, при перемагничивании для одного значения, приложенного поля Н=Н12 можно получить для двух реманентных суперзеркал, разные по знаку, но близкие к максимальной величине В0 по абсолютной величине значения индукции +B1 и -В2. При этом нейтронные поляризующие эффективности этих реманентных суперзеркал при Н=Н0 и Н=Н12 и соответствующих этим величинам полей индукций +B1 и -В2 практически не отличаются друг от друга [5-7].

Поместим каждый из поляризаторов I и II в отдельный электромагнит. Затем создадим, изменяя поле в зазоре электромагнита, в магнитных слоях поляризатора I индукцию +B1 при Н=Н12, причем направление этого вектора индукции будет совпадать с вектором напряженности ведущего ноля Н установки. В магнитных слоях поляризатора II, изменяя поле в зазоре электромагнита, создадим индукцию -В2 при Н=Н12. Затем сблизим оба электромагнита и переместим поляризатор II в зазор электромагнита поляризатора I. Это будет сделать нетрудно, т.к. в обоих электромагнитах величины напряженности магнитного поля одинаковы и равны Н=Н12. Таким образом, при перемагничивании реманентных суперзеркальных покрытий обоих поляризаторов можно создать требуемую ориентацию векторов индукции в магнитных слоях суперзеркальных покрытий поляризаторов I и II и вектора напряженности ведущего магнитного поля H установки, представленную на фиг. 1.

В качестве поляризатора I (трансмиссионного поляризатора) можно использовать также известный трансмиссионный поляризатор, выполненный в виде, изогнутого по окружности многоканального поляризующего суперзеркального нейтроновода [9, 10]. Этот нейтроновод представляет собой набор слабопоглощающих нейтроны пластин (например, из кремния) на обе полированные поверхности каждой из пластин нанесено поляризующее суперзеркальное реманентное покрытие без слоя материала, поглощающего нейтроны. (-) спиновая компонента пучка не отражаясь, проходит через стенки этого нейтроновода, а (+) спиновая компонента пучка распространяется по нейтроноводным каналам отражаясь от его стенок. При этом ось этой спиновой компоненты пучка отклоняется от оси пучка, падающего на вход этого поляризатора. В результате, оси пучков этих спиновых компонент расходятся в пространстве и пучок, распространяющийся вдоль оси, падающего на вход поляризатора пучка будет иметь высокую отрицательную поляризацию в узком угловом диапазоне углов равном α1. Технически сложнее создать такой нейтроновод по сравнению с рассмотренным выше в качестве прототипа [4], т.к. требуется изогнуть по окружности стопку кремниевых пластин малой длины, но значительного сечения.

В качестве поляризатора II можно вместо прямых, использовать каналы, изогнутые по окружности, для которых характерный угол α2=(2d2/L2)0.5 и L2>L20=(8d2ρ)0.5, где ρ и L20 - радиус изгиба и длина прямой видимости канала второго поляризатора, соответственно. При этом ось пучка, вышедшего из второго поляризатора, будет отклонена от оси пучка, падающего на вход трансмиссионного поляризатора на угол равный 2α2. В качестве среды для распространения нейтронов в этих каналах может быть использован воздух или слабопоглощающие нейтроны пластины.

Заявляемый поляризатор можно использовать также в качестве анализатора поляризации, рассеянного на образце пучка в нейтронном эксперименте, в т.ч. и при создании широкоапертурных анализаторов поляризации.

Рассмотрим пример конкретной конструкции заявляемого поляризатора. В поляризаторе I использованы полированные с обеих сторон слабо поглощающие нейтроны пластины кремния толщиной 0.3 мм. Каждая из пластин образует асимметричный нейтроноводный канал длиной 50 мм. Обе стенки канала имеют реманентное поляризующее суперзеркальное покрытие CoFe/TiZr (m=2) без поглощающего нейтроны слоя. Из фиг. 3 следует, что поляризация пучка на выходе из этого поляризатора высока и близка к -1 лишь в узком угловом диапазоне α=+/-5 мрад в связи с имеющимися пиками (+) спиновой компоненты пучка с центрами на α=- 9 мрад и на α=+/-25 мрад. Наличие этих пиков существенно ограничивает область применения такого поляризатора в эксперименте. Его практически нельзя использовать без дополнительного громоздкого элемента - коллимационной системы, установленной на выходе этого поляризатора и предназначенной для поглощения этих пиков. Кроме того, использование коллимационной системы при подавлении пика (+) спиновой компоненты с центром на α=-9 мрад уменьшит интенсивность полезного прошедшего пучка (-) спиновой компоненты с центром на α=0 мрад.

В качестве поляризатора II используем сборку из прямых, полированных с обеих сторон кремниевых пластин толщиной d2=0.3 мм, длиной L2=60 мм и с характерным углом этого поляризатора α2=5 мрад. Поэтому в диапазоне углов α<α2 в выходном пучке будут присутствовать нейтроны, прошедшие без отражения только (-) спиновой компоненты пучка, т.к. нейтроны другой компоненты, как следует из фиг. 3, не поступают на вход поляризатора II из поляризатора I. Пластины прижаты друг к другу без воздушных промежутков. На каждую сторону нанесено поляризующее суперзеркальное покрытие, сверху на него нанесен слой, поглощающий нейтроны. Нейтронный пучок проходит через такой поляризатор отражается от его стенок и слегка ослабляется в кремнии. Использование кремния, а не воздуха, в качестве среды для распространения нейтронов в поляризаторе 2, позволяет значительно уменьшить длину этого поляризатора. В качестве поляризующего суперзеркального реманентного покрытия для прямых стенок поляризатора II также использовано покрытие CoFe/TiZr (m=2) [7, 8]: Physica В 297 (2001) pp. 126-130; Journal of Physical Society of Japan v. 65, Suppl. A (1996) pp. 195-198). В качестве слоя, поглощающего нейтроны, использован сплав TiZrGd [8].

Как следует из фиг. 1, у нейтронов (-) спиновой компоненты пучка, вышедшей из поляризатора I, спины параллельны вектору магнитной индукции в магнитных слоях суперзеркального покрытия поляризатора II. Поэтому они отражаются от данного покрытия с высоким коэффициентом отражения в диапазоне углов от 0 до 21 мрад, а нейтроны (+) спиновой компоненты спины, которых антипараллельны вектору магнитной индукции в магнитных слоях этого покрытия, отражаются от данного покрытия с очень низким коэффициентом отражения в том же угловом диапазоне. При этом спины нейтронов (+) спиновой компоненты параллельны вектору напряженности ведущего магнитного поля, а спины нейтронов (-) спиновой компоненты антипараллельны этому вектору.

На фиг. 5 представлены расчетные угловые распределения интенсивности на входе в заявляемый поляризатор, интенсивностей (+) и (-) спиновых компонент пучка, а также поляризации пучка на выходе из заявляемого поляризатора для длины волны 5.5 . Для расчетов были использованы параметры поляризаторов I и II, представленные выше для конкретной конструкции заявляемого поляризатора. Как следует из фиг. 5, интенсивность (+) спиновой компоненты значительно ослаблена включая пик с центром на α=9 мрад и поляризация выходного пучка во всем угловом диапазоне входного пучка экстремально высокая и равна не менее чем Р=-0.99. Пики (+) спиновой компоненты с центрами на α=+/-25 мрад после прохождения через второй поляризатор с прямыми стенками ослаблены до уровня I+ ~ 5×10-15, т.е. практически исчезли и на графике не видны.

Таким образом, заявляемый технический эффект в предлагаемом поляризаторе достигнут.

Литература:

[1] О. Schaerpf. Comparison of theoretical and experimental behavior of supermirrors and discussion of limitations. - Physica В 156-157 (1989) pp. 631-638.

[2] S.V. , A.I. Okorokov, Yu.O. Chetverikov, D.Yu. Chernyshev, H. Eckerlebe, K. Pranzas, A. Schreyer. - Investigation of the chiral structure of the Y/Dy multilayer system by the method of the small-angle scattering of polarized neutrons. Письма в ЖЭТФ, 83 (2006) cc. 568-572.

[3] N. Keller, Т. Krist, A. Danzig, U. Keiderling, F. Mezei, A. Wiedenmann. The small-angle neutron scattering instrument V4 at BENSC Berlin. - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 451 (2000) pp. 474-479.

[4] V.G. Syromyatnikov, V.M. Pusenkov. New compact neutron supermirror transmission polarizer. - Journal of Physics: Conf. Ser. 862 (2017) p. 012028.

[5] P. Boni, D. Clemens, M. Senthil Kumar, and C. Pappas. Applications of remanent supermirror polarizers. - Physica В 267-268 (1999) pp. 320-327.

[6] F. Semadeni, B. Roessli, P. Boni. Three-axis spectroscopy with remanent benders. - Physica В 297 (2001) pp. 152-154.

[7] Pleshanov N.K., Bodnarchuk V., Gaehler R., Korneev D.A., Menelle A., Metelev S.V., Pusenkov V.M., Schebetov A.F., V.A. The use of remanent supermirrors for polarized neutron reflectometry with phase analysis. - Physica В 297 (2001) pp. 126-130.

[8] Schebetov A.F., Pleshanov N.K., Syromyatnikov V.G., Pusenkov V.M., Peskov B.G., Shmelev G.E., Soroko Z.N., V.A. Multichannel neutron polarisers produced in PNPI. - Journal of Physical Society of Japan v.65, Suppl. A (1996) pp. 195-198.

[9] Th. Krist. Solid state and conventional neutron optical elements. - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 529 (2004) pp. 50-53.

[10] Th. Krist, J. Peters, H.M. Shimizu, J. Suzuki, T. Oku. Transmission bender for polarizing neutrons. - Physica В 356 (2005) pp. 197-200.

1. Нейтронный суперзеркальный поляризатор, включающий трансмиссионный многоканальный нейтронный поляризатор, который выполнен в виде набора пластин из слабо поглощающего нейтроны материала с нанесенным на них с двух сторон суперзеркальным поляризующим покрытием, причем пластины прижаты друг к другу без воздушных промежутков, заключены в оправу и расположены под углом друг к другу и к оси пучка нейтронов, образуя асимметричные ломаные каналы, состоящие из двух частей, и таких каналов «N», причем угол между частями этих каналов равен θ=θ12, где θ1 и θ2 - углы между осью падающего на поляризатор пучка и входной и выходной частями асимметричных каналов поляризатора, соответственно, и весь трансмиссионный поляризатор помещен в насыщающее магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен плоскостям магнитных слоев суперзеркального покрытия структуры, а также вектору напряженности ведущего магнитного поля установки, пучок на выходе этого поляризатора имеет высокую отрицательную поляризацию пучка в узком угловом диапазоне углов равном α1, не превышающем полную угловую ширину падающего на вход этого поляризатора пучка, отличающийся тем, что в трансмиссионном поляризаторе используется суперзеркальное поляризующее реманентное покрытие, кроме того, дополнительно введен, расположенный вплотную к трансмиссионному поляризатору второй нейтронный суперзеркальный поляризатор, и, который выполнен в виде многоканального нейтроновода с прямыми каналами в виде набора сжатых между собой без воздушных промежутков пластин, выполненных из материала, слабо поглощающего нейтроны, на каждую сторону которых нанесено суперзеркальное поляризующее реманентное покрытие, а сверху на него - слой материала, поглощающего нейтроны, и характерный угол α2 второго поляризатора не превышает α1, причем α2=d2/L2, где d2 и L2 - ширина и длина канала второго поляризатора соответственно, причем для этого поляризатора количество каналов и их ширина таковы, что поперечное сечение данного поляризатора равно поперечному сечению первого (трансмиссионного) поляризатора, кроме того, в обоих поляризаторах обеспечена антипараллельная ориентация векторов индукции в магнитных слоях их суперзеркальных покрытий, причем направление вектора индукции одного из поляризаторов должно совпадать с направлением вектора напряженности ведущего магнитного поля установки.

2. Нейтронный суперзеркальный поляризатор, включающий трансмиссионный многоканальный нейтронный поляризатор, который выполнен в виде набора пластин из слабо поглощающего нейтроны материала с нанесенным на них с двух сторон суперзеркальным поляризующим покрытием, причем пластины прижаты друг к другу без воздушных промежутков, заключены в оправу и расположены под углом друг к другу и к оси пучка нейтронов, образуя асимметричные ломаные каналы, состоящие из двух частей, и таких каналов «N», причем угол между частями этих каналов равен θ=θ12, где θ1 и θ2 - углы между осью падающего на поляризатор пучка и входной и выходной частями асимметричных каналов поляризатора, соответственно, и весь трансмиссионный поляризатор помещен в насыщающее магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен плоскостям магнитных слоев суперзеркального покрытия структуры, а также вектору напряженности ведущего магнитного поля установки, пучок на выходе этого поляризатора имеет высокую отрицательную поляризацию пучка в узком угловом диапазоне углов равном α1, не превышающем полную угловую ширину падающего на вход этого поляризатора пучка, отличающийся тем, что в трансмиссионном поляризаторе используется суперзеркальное поляризующее реманентное покрытие, кроме того, дополнительно введен, расположенный вплотную к трансмиссионному поляризатору, второй нейтронный суперзеркальный поляризатор, который выполнен в виде многоканального нейтроновода с каналами, изогнутыми по окружности, в виде набора сжатых между собой без воздушных промежутков пластин, выполненных из материала, слабо поглощающего нейтроны, на каждую сторону которых нанесено суперзеркальное поляризующее реманентное покрытие, а сверху на него - слой материала, поглощающего нейтроны, и для которых характерный угол α2=(2d2/L2)0.5 и L2>L20=(8d2ρ)0.5, где ρ и L20 - радиус изгиба и длина прямой видимости канала второго поляризатора соответственно, причем для этого поляризатора количество каналов и их ширина таковы, что поперечное сечение данного поляризатора равно поперечному сечению первого (трансмиссионного) поляризатора, и при этом оба поляризатора обладают способностью антипараллельной ориентации векторов индукции в магнитных слоях их суперзеркальных покрытий, причем направление вектора индукции одного из поляризаторов должно совпадать с направлением вектора напряженности ведущего магнитного поля установки.

3. Нейтронный суперзеркальный поляризатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что трансмиссионный поляризатор выполнен в виде изогнутого по окружности многоканального поляризующего суперзеркального нейтроновода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нейтронной оптике и может быть использовано для получения поляризованных пучков тепловых и холодных нейтронов, применяемых при исследованиях в области ядерной физики и физики твердого тела.

Изобретение относится к нейтронной оптике и может быть использовано для получения поляризованных пучков тепловых и холодных нейтронов, используемых при исследованиях в области ядерной физики и физики твердого тела.

Изобретение относится к нейтронному суперзеркальному поляризатору. Поляризатор состоит из трансмиссионного нейтронного поляризатора и второго нейтронного суперзеркального поляризатора, расположенного вплотную к трансмиссионному нейтронному поляризатору. Вновь введенный поляризатор обеспечивает на выходе высокую отрицательную поляризацию пучка в широком угловом диапазоне, превышающем полную угловую ширину падающего на вход этого поляризатора пучка, и который выполнен в виде многоканального нейтроновода с прямыми каналами в виде набора сжатых между собой без воздушных промежутков пластин, которые выполнены из материала, слабо поглощающего нейтроны. Конструкция устройства выполнена таким образом, чтобы нейтроны спиновой компоненты пучка отражались от стенок второго поляризатора с высоким коэффициентом отражения, а нейтроны спиновой компоненты - с низким коэффициентом отражения. Это будет приводить к подавлению пиков спиновой компоненты пучка, ухудшающих поляризацию пучка на выходе первого поляризатора. Техническим результатом является повышение степени поляризации выходного пучка в широком угловом диапазоне, что обеспечивает создание широкоапертурного суперзеркального поляризатора с подавлением вклада спиновой компоненты для любого диапазона падающего пучка нейтронов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх