ВВЕДЕНИЕ.... 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И
РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ 11
1.1. Элементы оптики УХН 11
§ 1.2. Оптические элементы для фокусировки нейтронов 14
§ 1.3. Роль гравитационного поля Земли . 18
§ 1.4. Сложные ахроматизированные оптические системы 19
§ 1.5. Оптическая система без ахроматизации 26
§ 1.6. Геометрические гравитационные аберрации 26
ГЛАВА 2. МАТРИЧНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА НЕИТР0НН0-01ГГИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРОИЗВОЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ) И
ПРОБЛЕМА ХРОМАТИЗМА 29
5 2.1. Методы расчета нейтронно-оптических систем 29
§ 2.2. Матричный способ расчета нейтронно-оптических систем с произвольно ориентированной оптической
ОСЬЮ 30
§ 2.3. Расчет простой нейтронно-оптической системы.
Проблема хроматизма 34
§ 2.4. Четырехзеркальная нейтронно-оптическая система 38
§ 2.5. Микроскоп А.Штайерла 41
§ 2.6. Нейтронно-оптические системы с горизонтальной
оптической осью 43
§ 2.7. Расчет нейтронно-оптических систем, состоящих из
апланатических элементов 45
§ 2.8. Основные результаты главы 46
ГЛАВА 3. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ АБЕРРАЦИИ. НЕЙТРОННЫЙ
МИКРОСКОП С АПЛАНАТИЧЕСКИМ ОБЪЕКТИВОМ 47
5 3.1. Геометрические аберрации в нейтронно-оптических
системах с вертикальной оптической осью 47
5 3.2. Геометрические аберрации в нейтронно-оптических
системах с горизонтальной оптической осью 49
§ 3.3. Способ расчета апланатических нейтронно-оптических
систем 50
§ 3.4. Нейтронный микроскоп с апланатическим объективом 54
§ 3.5. Возможности улучшения бисферической
нейтронно-оптической системы [13] 55
6 3.6. Основные результаты главы 56
ГЛАВА 4. НЕЙТРОННЫЙ МИКРОСКОП С МАГНИТНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ СИЛЫ
ТЯЖЕСТИ ЗЕМЛИ 57
§ 4.1. Компенсация гравитационной силы неоднородным
магнитным полем 57
§ 4.2. Нейтронно-оптическая система в неоднородном
магнитном поле 60
§ 4.3. Расчет нейтронного микроскопа с магнитной
компенсацией поля тяжести 63
§ 4.4. Основные результаты главы 67
ГЛАВА 5. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ НЕЙТРОННЫЙ МИКРОСКОП 68
§ 5.1. Компенсация гравитационного смещения в
горизонтальных схемах (параксиальный расчет) 68
§ 5.2. Оборачивающие зеркала как компенсирующий элемент 68
§ 5.3. Геометрические гравитационные аберрации цролетного
участка 74
§ 5.4. Потраекторный расчет горизонтального нейтронного
микроскопа 76
- 4 -
§ 5.6. Возможности улучшения оптической схемы
горизонтального микроскопа 83
5 5.7. Основные результаты главы 92
ГЛАВА 6. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ В НЕЙТРОННОМ
МИКРОСКОПЕ 93
§ 6.1. Координатно-чувствительные детекторы излучений 93
§ 6.2. Цринцип работы детектора 96
§ 6.3. Детектор открытого типа 97
§ 6.4. Детектор сцинтилляционного типа с квадрантным
анодом 101
6 6.5. Детектор с анодом в виде клиньев и полос 109
§ 6.6. Измерительно-вычислительная система 126
§ 6.7. Основные результаты главы 129
ГЛАВА 7. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ПОЛУЧЕНИЮ НЕЙТРОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИИ 130
§ 7.1. Краткое описание конструкции микроскопа 130
§ 7.2. Эксперименты по регистрации позиционно-чувствительным детектором нейтронов изображений в
горизонтальном нейтронном микроскопе 132
§ 7.3. Обсуждение результатов экспериментов 139
§ 7.4. Основные результаты главы 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
ЛИТЕРАТУРА 149
Нейтронная оптика вот ухе несколько десятилетий является одним из мощных методов исследования вещества. Бурное развитие нейтронно-оптических методов обусловлено несколькими причинами.
Во-первых, длина волны наиболее доступных для эксперимента тепловых нейтронов близка к размерам межатомных расстояний, поэтому в рассеянии тепловых нейтронов большую роль играют волновые процессы, в частности, дифракция и интерференция нейтронных волн. Это позволяет исследовать структуру конденсированного вещества дифракционными методами и предоставляет большие методические возможности для анализа длины волны и энергии рассеянных нейтронов.
Во-вторых, энергия тепловых нейтронов близка по порядку величины к характерным энергиям теплового движения атомов вещества и энергии коллективных возбуждений в конденсированном веществе. Таким образом, при рассеянии нейтронов можно получить богатую информацию о динамике вещества.
В-третьих, благодаря электрической нейтральности нейтронная волна слабо поглощается веществом. Поэтому ядерное взаимодействие (наряду с магнитным) в большинстве случаев является доминирующим, и именно оно определяет основные нейтронно-оптические свойства вещества. В то же время, наличие магнитного момента у нейтрона делает нейтронно-оптические методы чувствительными к магнитной структуре вещества.
В-четвертых, нейтроны достаточно "дешевы", и современные нейтронные источники обеспечивают значительные потоки нейтронов различного спектрального состава.
Закон дисперсии нейтронной волны в веществе достаточно прост.
^ = ко2- (1)
I
- 6 -
где к1 и кр - соответственно волновые числа нейтрона в веществе и вакууме, I - сорт ядра-рассеивателя, Ы£ - плотность рассеивателей (ядер) в единице объема вещества, а ь( - длина рассеяния t-м ядром.
Введя понятие показателя преломления, как отношение волновых чисел в веществе и вакууме, из (1) легко получить более привычную формулу:
записанную в виде, близком к тому, в котором ее получил Э.Ферми [1]. Закон дисперсии (1) совпадает с решением уранения Щредингера для случая прохождения (и отражения) частицы над потенциальным барьером, поэтому, описывая взаимодействие нейтронов с веществом, говорят об оптическом потенциале среды, определяемом усредненной суммой амплитуд рассеяния входящих в вещество ядер. Таким образом, можно утверждать, что оптические свойства вещества зависят от его ядерного состава. Для большинства веществ длина рассеяния ъ положительна, и показатель преломления меньше единицы. В случае тепловых нейтронов это отличие очень невелико и п-1 « ю-6. Однако с ростом длины волны X это отличие увеличивается.
Одной из очень важных особенностей "потенциального" закона дисперсии является его инвариантность по отношению к тангенциальной компоненте волнового числа. Выражения (1) и (2) остаются справедливыми, если в них под волновыми числами подразумевать только нормальные их компоненты kz (при этом Поскольку при малых
углах падения нормальная компонента импульса может быть сколь угодна мала, а соответствующая ей длина волны Я велика, то, как видно из (2), при некоторой = гр, где
t
(2)
квадрат показателя преломления в (2) становится отрицательным. Этот случай отвечает полному внешнему отражению от поверхности вещества при наклонном падении. На возможность этого явления впервые обратил внимание Э.Ферми. Существование полного отражения было экспериментально установлено в 1946 г. [1-3]. Много позже оно было использовано в экспериментальной технике при создании протяженных зеркальных систем - нейтроноводов для транспортировки нейтронов на значительные ( в сотни метров) расстояния.
В 1948 г. Ахиезер и Померанчук [4] предложили использовать ферромагнитные намагниченные зеркала для аффективной поляризации нейтронов. Это предложение было реализовано Юзом [5] и теперь также прочно вошло в экспериментальную технику.
Я.Б.Зельдович в 1959 г. [6] обратил внимание, что для совсем медленных нейтронов условие полного отражения выполняется не для нормальной компоненты волнового числа, а для всего волнового числа. Такие нейтроны должны испытывать полное отражение при нормальном падении, и они были названы ультрахолодными (УХН). В максвелловском спектре скоростей нейтронов из реактора присутствуют в принципе нейтроны со сколь угодно большими длинами волн, в том числе и УХН.
Благодаря работам Ф.Л.Шапиро с сотрудниками [71 УХН были открыты, а основные их свойства, предсказанные Я.Б.Зельдовичем, подтверждены [8]. С этого момента нейтронная оптика приобрела некоторые новые черты. В 1972 г. И.М.Франк предложил использовать полное отражение УХН от зеркал для создания фокусирующих элементов нейтронного микроскопа [9]. В этой же работе обращалось внимание на то обстоятельство, что малая энергия УХН делает значительным влияние на их движение силы тяжести Земли. В результате их траектории, в
- 8 -
отличие от световых лучей, всегда не прямолинейны, а оптическая система на УХН должна, вообще говоря, обладать специфическими гравитационными аберрациями.
Первые шаги на пути к созданию нейтронного микроскопа были сделаны в работах А.Штайерла с сотрудниками [10-11] и в работах группы ИАЭ им. И.В.Курчатова [12-13]. В этих экспериментах было получено нейтронное изображение с использованием специального зонного зеркала, а затем и довольно сложной многозеркальной оптической системы. Несомненно, что эти пионерские работы имели большое значение, однако до настоящего микроскопа, казалось, было еще очень далеко. Полученное увеличение составляло несколько крат, оптическое разрешение по порядку величины составляло о.1 мм, а структура изображения анализировалась путем механического сканирования щелью.
Цель настоящей работы, выполненной в 1984 - 1990 гг., состояла в поиске путей создания нейтронного микроскопа, имея в виду, что первоначальное подтверждение концепции зеркального микроскопа было осуществлено. Цредстояло развить методы расчета оптических систем для УХН с учетом силы тяжести, понять природу основных гравитационных аберраций, найти пути их компенсации, и определить оптическую схему возможного нейтронного микроскопа.
Актуальность этих задач диктовалась самим состоянием проблемы, в частности, обилием нерешенных в принципе вопросов, стоящих на пути к нейтронному микроскопу. Кроме того, в научном общественном мнении укреплялась надежда, что нейтронный микроскоп может в будущем стать уникальным методом исследования вещества.
Можно утверждать, что основные задачи, сформулированные выше, были решены. В дальнейшем работа была продолжена в направлении создания детекторно-измерительной системы для регистрации
- 9 -
нейтронного изображения в нейтронном микроскопе, к созданию которого приступала в то время группа ИАЭ и Лениградского института точной механики и оптики.
На защиту выносятся:
1. Теоретический анализ гравитационных аберраций в нейтронно-оптических системах [45-46,61-62,70-71,74,100].
2. Проект нейтронного микроскопа с апланатическим объективом с разрешением лучше 4 мкм [70-71].
3. Цроект нейтронного микроскопа с магнитной компенсацией гравитации в области объектива с разрешением лучше 0.3 мкм [61].
4. Оптическая схема нейтронного микроскопа с горизонтальным ходом лучей и оборотной системой с разрешением лучше 6 мкм [62].
5. Низкофоновые позиционно-чувствительные детекторы УХН с автоматизированной измерительной системой для регистрации изображения в нейтронном микроскопе [97].
6. Применение позиционно-чувствительного детектора УХН [97] в нейтронной микроскопии и результаты проведенных с его помощью полных испытаний схемы горизонтального нейтронного микроскопа [46-471.
Работа состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 73 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 102 наименования. Общий объем работы 156 страниц.
1. Разработан метод расчета нейтронно-оптических систем с произвольной ориентацией оптической оси, и сделан теоретический анализ гравитационных аберраций [45-46,61-62,70-71,74,100].
2. Предложен и рассчитан зеркальный апланатический микроскоп для ультрахолодных нейтронов. При увеличении Мх=25, поле зрения S=0.6x0.6 мм2 для скорости нейтронов и=5.5+6.5 м/с теоретическое разрешение 6=2.2+3.6 мкм. Числовая апертура А=о.5. Рассчитанная схема признана изобретением [70-71].
3. Предложен и рассчитан зеркальный нейтронный микроскоп с магнитной компенсацией гравитационных искажений. При увеличении Мх=50, поле зрения s=o.3*o.3 мм2 для скорости нейтронов и=4.5+6.о м/с теоретическое разрешение 6=0.1+0.3 мкм. Числовая апертура А=0.5 [61].
4. Предложен и рассчитан нейтронный микроскоп с горизонтальным ходом лучей и оборотной системой. При увеличении Мх=47.2, поле зрения s=o.25xo.25 мм8 для скорости нейтронов t^4.5+6.8 м/с теоретическое разрешение б лучше 6 мкм. Числовая апертура А=0.5. Рассчитанная схема признана изобретением [62].
5. Создано два низкофоновых позиционно-чувствительных детектора нейтронов с автоматизированным сбором информации. Разрешение приборов лучше зоо мкм, рабочие поверхности равны SI=30 мм2 и sg=450 мм2, соответственно, для первого и второго детектора [97].
6. Проведены эксперименты по регистрации позиционно¬чувствительным детектором УХН [97] двумерных изображений в горизонтальном нейтронном микроскопе. Результаты экспериментов подтверждают правильность сделанных автором расчетов [46-47].
- 148 -
Результаты работы докладывались на ежегодных конференциях ООЯФ ИАЭ им. И.В. Курчатова (1985,1987,1990,1991), 1 Международной конференции по нейтронной физике (Киев, 1987), Рабочем совещании по исследованиям в области ядерной физики на реакторе Пик (Гатчина, 1988), Международной конференции Эрнст Аббе (Берлин, 1989), Международном совещании по фундаментальной физике с медленными нейтронами (Франция, Гренобль, 1989) и изложены в публикациях [13,45-47,61,62,70,71,74,97,100].
Автор глубоко признателен А.И. Франку за научное руководство, а также С.С. Арзуманову, С.В. Масаловичу, С.А. Сабельникову в соавторстве с которыми были выполнены все экспериментальные работы и всему коллективу лаборатории нейтронных исследований, где была выполнена эта работа.
Автор благодарен М.М. Русинову, И.А. Карасевой, Ю.В. Кудряшову за полезное сотрудничество при проектировании горизонтального нейтронного микроскопа.
Автор благодарен Т.А. Архиповой, М.И. Смирновой, М.З. Купцовой, М.Т. Пахомову за поддержку при создании позиционно-чувствительного детектора.
Автор благодарен А.П. Сереброву за предоставленную возможность работать на пучке УХН реактора ЛИЯФ, а также Б.Г. Ерозолимскому, И.А. Кузнецову, И.В. Степаненко, А.Г. Харитонову, благодаря гостеприимству которых стало возможным проведение нейтронных измерений.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
