УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕЙТРОНА

Устройство относится к области экспериментальной ядерной физики, в частности, к устройствам для изучения бета-распада, включая измерения времени жизни нейтрона в бета-распаде.

Наиболее близким к предлагаемому решению по совокупности признаков является плазменная ловушка, выполненная в виде комбинации магнитной квадрупольной линзы (квадруполя) и двух магнитных зеркал в виде катушек, установленных на входе и выходе квадруполя. Эта система, называемая иногда «пробкотроном», использовалась для удержания заряженных частиц плазмы, в том числе электронов [1].

Известно устройство для измерения константы распада (времени жизни) нейтрона, содержащее электромагнит с плоскими параллельными полюсами, вдоль которых установлены пластины сцинтилляционных счетчиков электронов, оптический сигнал с которых считывается с помощью световодов и фотоумножителей [2]. Это устройство устанавливается на сформированный пучок нейтронов так, что плоскости полюсов магнита и пластины сцинтилляторов параллельны оси пучка, а электроны от распада нейтронов транспортируются с помощью магнитного поля к пластинам. Устройство также содержит детектор нейтронов, который определяет количество нейтронов в той области распада, из которой электроны транспортируются к пластинам детекторов. По соотношению скоростей счета детекторов и количества нейтронов r в контролируемом сегменте пучка определяется константа распада λ или обратная ей величина τ=1/λ, т.е. время жизни. Недостатком этого устройства является сложность и неопределенность процедуры измерения количества нейтронов, размеров контролируемого сегмента пучка и учета потерь электронов на пути от области распада к детекторам. Это устройство наиболее близко по решаемой задаче и совокупности признаков к заявляемому техническому решению и принято за прототип.

Целью предлагаемого устройства является повышение точности времени жизни нейтрона и упрощение измерительной процедуры. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве

- электромагнит выполнен в виде комбинации многополюсной линзы и магнитных зеркал,

- комбинация линзы и зеркал содержит цилиндрическую вакуумную камеру с тонкими торцевыми окнами и фланцами для подключения к нейтроноводу,

- внутри вакуумной камеры в области катушек установлены два пропорциональных газовых счетчика электронов,

- счетчики электронов выполнены в виде газонаполненных дисков с тонкими окнами, материал которых имеет минимальное сечение поглощения нейтронов,

- линза установлена соосно с предварительно сформированным пучком нейтронов, ограниченным нейтроноводом.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства и его расположение относительно пучка и источника нейтронов, на фиг.2 показано сечение магнитной линзы, на фиг.3 показан диапазон, в котором находятся минимумы функционала ошибок для разных степеней приближения, что демонстрирует повышение точности при измерении времени жизни нейтрона.

Устройство размещается вблизи источника нейтронов 1, оборудованного нейтроноводом 2 для вывода пучка нейтронов через управляемый шибер 3. После отражения от зеркала 4 пучок приобретает вертикальную составляющую скорости и общую ориентацию под некоторым углом α к горизонтальной плоскости. Далее соосно пучку нейтронов расположено заявляемое устройство, обращенное в сторону зеркала входным окном 5, закрепленным с помощью фланца и опорной решетки (не показаны) на цилиндрической вакуумной камере 6. Вакуумная камера установлена внутри комбинации магнитных элементов - шестиполюсной магнитной линзы 7 и круглых катушек 8 и 9. Магнитная линза установлена соосно пучку нейтронов и вакуумной камере 6. Внутри камеры в области катушек расположены газонаполненные детекторы 10 и 11 электронов. Детекторы выполнены в виде дисков с тонкими окнами, материал которых имеет минимальное сечение поглощения нейтронов. Для пучка тепловых нейтронов детекторы практически прозрачны. Выходное окно 12 также закреплено на цилиндрической вакуумной камере с помощью фланца и опорной решетки и выполнено из материала, не поглощающего нейтроны. В качестве материала может быть использован бериллий. Детекторы 10 и 11 настроены на максимальную чувствительность к электронам, не содержат газов-конверторов нейтронов в заряженные частицы, причем путем дискриминации сигнала по амплитуде и выбором высокого напряжения счет гамма-квантов максимально подавлен. Вакуумная откачка объема камеры 6 может производиться через патрубки с помощью высоковакуумных насосов 13 произвольного типа. На выходе из системы электромагнитов на пути нейтронного пучка установлен всеволновый детектор 14 нейтронов, окруженный блоком 15 поглощения пучка, содержащим замедляющие (полиэтилен, парафин) и нейтронопоглощающие материалы, например ⁶Li и ¹⁰В («нейтроностоп»). Магнитные катушки 8 и 9 подключены к источникам тока и схеме управления, позволяющей включать и выключать ток в катушках, выполняющих функцию «магнитных пробок», по заданной программе. Шибер 3 также имеет привод, позволяющий перекрывать или открывать пучок нейтронов на заданный интервал времени. Магнитная линза 7 включена постоянно. Магнитная линза состоит из набора магнитных полюсов 16, заключенных между полюсами обмоток 17, охваченных железным ярмом 18.

Устройство работает следующим образом. Включают магнитные катушки 8 и 9 («магнитные пробки»). Открывают шибер 3. При вводе пучка тепловых или холодных нейтронов через окно 5 и прохождении пучка через «прозрачные» для нейтронов детекторы 8 и 9, а также окно 12 потери пучка связаны только с бета-распадом нейтронов. За счет неоднородного магнитного поля линзы и магнитных пробок электроны от распада нейтронов удерживаются в объеме ловушки, образованной неоднородным магнитным полем. Через определенный интервал времени ΔT_store в ловушке накопится некоторое количество электронов. По сигналу с компьютера шибер 3 закрывают, пробку 5 отключают, и электроны из объема ловушки под действием магнитного поля пробки 9 и гравитации быстро стекают на детектор 10 и регистрируются с достаточно высокой эффективностью. Регистрация проводится в зависимости от времени вытекания электронов, причем весь интервал регистрации разбивается на частные интервалы считывания. Эксперимент повторяется многократно для данного интервала ΔT_store. Затем эксперимент проводится для интервала 2ΔT_store, 3ΔT_store, …, kΔT_store. Поскольку за разные интервалы времени накапливаются разные количества электронов, то в результате получают набор разных скоростей счета электронов, определенных с высокой точностью, соответствующих разным количествам распавшихся нейтронов. Важно подчеркнуть, что все интервалы времени должны определяться с помощью генераторов стабильной частоты (таймеров). В настоящее время возможна частота повторения порядка 1 ГГц. При регистрации интервалов времени между последовательными одиночными импульсами электронов погрешность скорости счета определится числом импульсов таймера.

Таким образом, ловушка для электронов используется по прямому назначению, однако существенным отличием является накопление и регистрация электронов именно от распада нейтронов, которые проходят через ловушку в режиме протока.

Непосредственным результатом эксперимента является набор разных значений скоростей R_k счета электронов, измеренных с погрешностями σ_k. Число k не менее 5 и не ограничено сверху. При этом поток нейтронов, проходящих через ловушку электронов, может контролироваться нейтронным детектором 14, установленным за магнитной системой, и совмещенным с блоком 15 поглощения пучка («нейтроностоп»). Для определения времени жизни нейтрона «по следами распада можно использовать метод настройки шкалы распада [4]. Кратко, суть метода в том, что после большого числа повторений цикла измерений обрабатывают массив значений скоростей счета электронов, определяя с помощью частотного анализа k_max уровней скоростей счета R_k и их погрешности σ_k. При этом время жизни нейтрона = 1/τ, где τ - время жизни нейтрона, определяют вариационным методом из условия минимума функционала ошибок , . Здесь k_max - максимальный номер реализованных значений интервалов времени, N_k - число нейтронов на k-том интервале, R_k - скорость счета электронов. Затем строится оценка чисел частиц в зоне видимости детектора для разных степеней p приближения этих чисел с шагом l/µ, где k=1,…k_max, round-оператор округления до ближайшего десятичного числа с p знаками после запятой, µ - фактор шкалы чисел частиц, находящихся в зоне видимости детектора на каждой ступени потока. Оценка строится для всех доступных степеней p приближений данного набора чисел частиц. Фактор шкалы µ варьируется до наилучшего совпадения минимумов функционалов ошибок всех степеней p вблизи единственной точки симметрии τ₀(p), где τ₀ - среднее арифметическое значение времени жизни радиоактивной субстанции. Условие симметрии всех функционалов приближений и соответствие их значений в точке симметрии числу степеней свободы определяют единственность решения для среднего арифметического значения времени жизни нейтрона. При этом, чем ближе значение фактора шкалы к точному значению, тем ближе к друг к другу по шкале времени жизни расположены минимумы функционалов ошибок разной точности приближения (т.н. p-функционалов) вблизи точки решения. При p≥p₀, где p₀ - минимальная степень приближения, все минимумы попадают в некоторый интервал, соответствующий погрешности определения времени жизни (см. фиг.3).

При числе нейтронов от 10 с^-1 до 500 с^-1 через сечение магнитной линзы за интервал ΔT_store - времени накопления электронов в области, ограниченной магнитным полем, скорость счета электронов при сбросе их на детектор меняется от 10^-2·ΔT_stor/ΔT_reg c^-1 до 0,5·ΔT_stor/ΔT_reg c^-1, где ΔT_reg - время сброса электронов на детектор. Абсолютная точность скорости счета может быть сведена к значениям порядка ~10^-5-10^-4 с^-1. Здесь определение скорости счета проводится путем измерения интервала времени между следующими друг за другом сигналами детектора. Интервал времени измеряется числом тактов генератора таймера. Поскольку это число велико, то скорость счета при Δn=1 (число импульсов детектора) определяется соотношением R=1/ΔT, где ΔT ~ ΔN, причем пусть ΔN ~ 10⁸-10¹⁰ (число импульсов генератора, соответствующее времени 1 с). Тогда погрешность определения интервала времени составляет (по Пуассону) , а погрешность скорости счета составит ΔR=δT/(ΔT)², т.е. относительная погрешность скорости счета равна . Используемый метод дает возможность избежать не всегда обоснованных допущений или формул и оценить погрешность времени жизни непосредственно из экспериментальных данных. Погрешность времени жизни в данном методе оценивается величиной интервала, которым ограничено расхождение минимумов разных p-функционалов в точке решения. Пример такого приближенного решения показан на фиг.3. Здесь приведен вид функционала ошибки разных степеней приближения для решения в точке симметрии. Число степеней свободы v=151. Видно, что значения функционалов в точках минимума для р=1, 2, 3,… не выходят за пределы , что соответствует свойствам распределения χ². Необходимость учета погрешности при измерениях количества нейтронов в области распада исключается.

Экономическая эффективность определяется возможностью сокращения эксплуатационных расходов за счет использования устройства с источником нейтронов типа Д-Т генератора вместо ядерного реактора. Метод вариационной настройки шкалы распада обеспечивает высокую точность при длительных экспериментах на заведомо малой скорости счета электронов, что соответствует диапазону первого-второго порядка для числа нейтронов, проходящих через ловушку. Это дает возможность поставить прецизионные эксперименты по распаду в сравнительно небольших помещениях при малых расходах на персонал, малом энергопотреблении. Такая постановка эксперимента исключает ядерные аварии, а работоспособность устройства при малых скоростях счета электронов уменьшает и радиационную опасность. Длительное время эксперимента требует высокой надежности и температурной стабильности аппаратуры при высокой степени автоматизации. Габариты устройства вместе с источником нейтронов и физической защитой не превысят 3-5 метров в длину и 2 м в высоту.

Источники информации

1. Dubbers D. et. al. Europhys. Lett. 1990, 11(3), 195.

2. Е.Я.Казовский, В.П.Карцев, В.Н.Шахтарин. Сверхпроводящие магнитные системы. Л.: Наука, 1967, с.272-273.

3. C.J.Christensen, A.Nielsen, A.Bahnsen, W.K.Brown, B.M.Rustad. Phys. Rev. 1972, D5, #7, p.1628.

4. B.B.Васильев. Физическое решение k линейных уравнений с (k+1) неизвестными в распаде нейтрона. Препринт ИТЭФ №8, Москва, 2007, индекс 3649.