Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 2, стр. 49-54

ВВЕДЕНИЕ

Нейтрон, участвуя во всех известных на сегодняшний день типах взаимодействий, является очень удобным объектом исследований. Изучение его свойств дает ключ к пониманию как структуры “элементарных” частиц и механизма их взаимодействий, так и процессов, происходящих в масштабах Вселенной. Например, поиск электрического заряда нейтрона может быть проверкой некоторых теоретических концепций за пределами Стандартной Модели. В частности, моделей, предполагающих наличие нарушения барионной и лептонной (B−L) симметрий [1] или моделей, основанных на предположении о существовании дополнительных пространственных измерений [2].

Современное экспериментальное ограничение на величину заряда нейтрона лежит на уровне ~10^–21 заряда электрона [3, 4]. Нами предложен эксперимент, позволяющий улучшить это ограничение, по крайней мере, на порядок [5].

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НЕЙТРОНА

Для реализации эксперимента по измерению электрического заряда нейтрона предлагается метод, основанный на использовании спиновой интерферометрии и эффекта двухкристальной фокусировки при дифракции нейтронов по Лауэ [5–7]. Схема эксперимента показана на рис. 1.

Пучок нейтронов, поляризованных вдоль оси x, проходит через катушку с током M1 и попадает на первый кристалл. Затем дифрагировавший отраженный пучок от первого кристалла падает на второй кристалл, плоскости отражения которого должны быть параллельны плоскостям первого с точностью в пределах брэгговской ширины. На выходе из второго кристалла отраженный нейтронный пучок, после прохождения через катушку M2, попадает в детектирующую систему. Между кристаллами находится рабочая область (1). Нейтронный пучок на всем пути от катушки M1 до M2 должен находиться в магнитном поле H ~ 0 (т.е. в магнитном экране). На рис. 1 область экранирования ограничена пунктирными линиями.

В такой геометрии часть интенсивности дважды дифрагировавшего пучка фокусируется на выходной поверхности второго кристалла [8] и распределение интенсивности (или поляризации) нейтронов по входной поверхности первого кристалла воспроизводится на выходной поверхности второго кристалла. В такой геометрии для каждой траектории нейтрона угол поворота спина нейтрона в катушке M1 равен по величине, но противоположен по знаку углу поворота в катушке M2, т.е. суммарный угол поворота спина (в отсутствие внешнего воздействия на нейтрон в области между кристаллами) равен нулю. Расчет таких катушек применительно к рассматриваемой геометрии выполнен в работе [9].

Наличие внешней силы между кристаллами в рабочей области (1) приведет к отклонению направления движения нейтрона на некоторый угол и, соответственно, к смещению фокуса по выходной поверхности второго кристалла [8]. Это приведет к тому, что угол поворота спина нейтрона в катушке М2 не будет равен углу поворота в катушке М1. Этот сигнал рассогласования при смещении фокуса на величину х составляет:

где v – скорость нейтрона, B – величина магнитного поля в катушках M1 и M2.

Действие внешней силы F_n на расстоянии l приводит к изменению направления движения нейтрона на угол α = F_nl/(2E), и смещение пучка нейтронов по выходной поверхности второго кристалла в этом случае составит:

где v_g – амплитуда g-гармоники потенциала взаимодействия нейтрона с кристаллом.

Как показано в работе [10]величина угла поворота спина нейтрона за счет наличия у него электрического заряда при угле дифракции θ_B = 70° для плоскости (220) кремния может составить:

при величине электрического поля E₀ = 100 кВ/см в рабочей области (1) протяженностью l = 1 м. Таким образом, чувствительность к заряду нейтрона может составить ~10^–23 от заряда электрона при вполне реальной чувствительности к углу поворота спина нейтрона σ(ϕ_e) ~ 10^–5 [10].

ТЕСТОВАЯ УСТАНОВКА

Для увеличения точности измерения заряда нейтрона необходимо разнести кристаллы на значительное расстояние друг от друга. Тестовая модель установки с общей опорной базой и расстоянием между кристаллами около 600 мм изображена на рис. 2. Установка содержит общее основание (опорную плиту) на котором смонтированы водяные радиаторы для системы термостабилизации и две поворотные платформы, на которых расположены рабочие кристаллы в кристаллодержателях. Вся установка находится в теплоизолирующем кожухе.

В качестве опорной плиты используется стеклокерамика СО-115М (астроситалл с размерами 1000 × 300 × 70 мм и коэффициентом теплового расширения <2 × 10^‑8 К^–1), которая позволяет значительно уменьшить смещения кристаллов относительно друг друга, вызванные возможными вариациями температуры во время измерений.

В качестве теплоносителя в системе термостабилизации используется деминерализованная вода, протекающая через систему алюминиевых и медных радиаторов, соединенных друг с другом посредством гибких трубок. Алюминиевые радиаторы прикреплены к опорной плите по периметру на ее нижней поверхности, а медные – вокруг кристаллов. Для обеспечения лучшего теплового контакта между радиаторами и опорной плитой нанесена термопаста (КПТ-8). Организовано встречно-параллельное прохождение теплоносителя через всю систему радиаторов, чтобы уменьшить градиенты температур по экспериментальной установке.

Для прокачки теплоносителя через замкнутую систему радиаторов и поддержания в установке заданной стабильной температуры используется циркуляционный термостат Julabo F32-HE (объем бани 8 литров), точность стабилизации температуры составляет 0.01 К.

Для реализации двухкристальной схемы эксперимента были отобраны два совершенных монокристалла кварца размерами 100 × 100 × 30 мм с рабочей плоскостью (100) и межплоскостным расстоянием d = 4.25 Å. Разброс межплоскостного расстояния по всему объему кристаллов, характеризующий степень их совершенства, составляет Δd/d < 10^–6, что на порядок меньше брэгговской ширины отражения.

В настоящее время установка собрана и смонтирована на испытательном стенде. Проведено подключение установки к циркуляционному термостату Julabo F32-HE, и выполнены гидравлические испытания в рабочем режиме. Собрана пассивная тепловая защита из пенополистирола, полученного экструзией (пеноплэкса) с внешним слоем из вспененного полиэтилена с отражающей алюминиевой фольгой.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Для контроля температуры и температурных градиентов на астроситалловой плите и кварцевых кристаллах были установлены датчики Pt-100. Температурные показания с датчиков снимались при помощи цифрового мультиметра Keithley 2700 с возможностью последовательного сканирования всех датчиков, при этом использовалась многоканальная плата (реле Keithley 7700). Для определения градиента температуры на кристаллах на каждом из них было установлено по два датчика. Дополнительно на одном из кристаллов был установлен опорный датчик циркуляционного термостата Julabo, посредством которого устанавливалась и стабилизировалась рабочая температура в установке. Положение датчиков изображено на рис. 3.

Тепловая защита предназначалась для поддержания постоянной температуры внутри установки независимо от изменений внешних температурных условий. В дополнение к первому контуру пассивной защиты был установлен второй контур с конструкцией в виде деревянного каркаса, обшитого внутри полиэтиленовой пленкой, а снаружи – слоем из вспененного полиэтилена с отражающей алюминиевой фольгой.

Отрицательное влияние на теплозащиту оказывал поток горячего воздуха от системы охлаждения Julabo, который создавал локальный градиент температуры. Для уменьшения этого влияния был смонтирован воздуховод для сброса этого воздуха в ствол вентиляционного канала помещения.

При тестовых испытаниях искусственно создавались температурные колебания вокруг установки в несколько градусов.

На рис. 4 приведены разности показаний датчиков. На рис. 4а представлены ΔT_K1, ΔT_K2 – разности температур на самих кристаллах K1 и K2 (верхний и нижний датчики), ΔT_K1,2 – разница температур между верхними датчиками двух разных кристаллов. На рис. 4б показана ΔT_внеш – разница между температурой окружающей среды Т₂ и температурой внутри установкиТ₆ в зависимости от времени. Коэффициент подавления вариаций внешней температуры составил около 700.

На рис. 5, 6 показаны зависимости разности температур на датчиках одного из кристаллов K1 и разности температур между двумя кристаллами К1 и К2 от разности температуры ΔT_внеш. Точками указаны экспериментальные данные. Сплошной линией – результат усреднения.

Из рис. 5, 6 следует, что при изменении температуры в помещении до 6 K в установке удалось достичь стабильности температуры на кристаллах не хуже 0.01 K, а стабильность разностей температур на кристаллах и между ними составила ~0.005 K.

ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВИБРАЦИЙ

В 2017 году на пучке PF1b реактора ILL (Гренобль, Франция) были произведены предварительные измерения уровня вибраций при помощи прибора VA-2 с рабочим диапазоном измерений частот 0.7–1000 Гц. Данный прибор позволяет измерять вибрацию отдельно по трем осям: H1 и H2 – горизонтальные ортогональные оси, V – вертикальная ось. Основные измерения проводились в режиме измерения скорости. При помощи цифрового осциллографа с прибора VA-2 снимался аналоговый сигнал.

Результаты измерений представлены на рис. 7. Видно, что основной вклад в общий вибрационный фон происходит на частоте 25 Гц и скорости смещения кристалла ~6.2 × 10^–4 см/с, что дает величину скорости смещения кристаллов относительно друг друга на уровне ~10^–3 см/с. При этом брэгговская ширина в единицах скорости нейтрона относительно кристалла Δv_B $ \simeq $ 1 см/с. Дополнительным источником вибрации является работающий насос циркуляционного термостата Julabo. Из рис. 7 видно, что при включении насоса термостата уровень вибрации в областях 35, 50 и 100 Гц незначительно увеличивается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа посвящена техническому описанию и тестовым испытаниям создаваемой в НИЦ “Курчатовский институт”-ПИЯФ экспериментальной установки для измерения электрического заряда нейтрона кристалл-дифракционным методом с использованием разнесенных на большое расстояние кристаллов. Реализация данного проекта позволит улучшить современную точность измерения электронейтральности нейтрона, которая сейчас находится на уровне ~10^–21 от элементарного заряда, по крайней мере, на порядок.

Проведены температурные испытания установки с комбинированной активной и пассивной тепловой защитой для выяснения влияния вариации внешней температуры на величину разброса разностей температур внутри установки, а так же на рабочих кристаллах. Показано, что в условиях реакторного зала с возможными изменениями температуры на несколько градусов наша установка обеспечит стабильность температуры на кристаллах не хуже 0.01 K, а стабильность разностей температур на кристаллах и между ними ~0.005 K. Относительные смещения кристаллов от таких разбросов температур приводят к относительным отклонениям направления нейтронного пучка на несколько порядков меньше брэгговской дифракционной ширины.

Приведены данные по измерению уровня вибрации в секторе пучка холодных нейтронов PF1b (ILL, Франция), на котором предполагается проводить эксперимент по измерению заряда нейтрона.Также измерен уровень собственных вибраций от насоса термостата установки. Величина скорости смещения кристаллов относительно друг друга находится на уровне ~10^–3 см/с, что приблизительно на три порядка меньше соответствующей брэгговской ширины отражения кристаллов.